DE10226641A1 - Wärmetauscher-Element und Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauscher-Elements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscher-Element (1) mit einer Wand (2), die auf einer Seite Rippen (3) aufweist. Zur Reduzierung des thermischen Leitungswiderstandes weist das Wärmetauscher-Element (1) Nuten (4) auf, die sich durch die Wand (2) hindurch in die Rippen (3) hinein erstrecken und an der den Rippen (3) abgewandten Seitenfläche (2a) der Wand (2) geöffnet sind.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauscher-Element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, auf ein Gehäuse mit einem Wärmetauscher-Element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauscher-Elements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
- Es ist z. B. aus der
DE 100 45 728 A1 zur Abführung oder Aufnahme von Wärme bekannt, ein Wärmetauscher-Element mit einer Wand zu benutzen, die Wärmetauscher-Rippen aufweist. Hierdurch werden die Oberfläche des Elements vergrößert und die Leistungsfähigkeit des Wärmeaustausches verbessert. Die auf einer Seite der Wand befindliche thermische Energie wird durch Wärmeleitung zur anderen Seite der Wand geleitet, wo sie durch die Rippen geleitet wird und an der vergrößerten Oberfläche an die Umgebung abgegeben wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß das Material des Elements der Wärmeleitung einen Widerstand entgegensetzt. Die Wirksamkeit dieses Wärmeleitungswiderstandes nimmt zu, je größer die Strecke ist, auf der die thermische Energie bzw. Wärme durch das Material des Elementes geleitet werden soll. Die Dicke der Wand und die Höhe der Rippen bestimmen jeweils die Wegstrecke, auf der der Wärmeleitungswiderstand wirksam ist. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmetauscher-Element bzw. Wärmetauscher-Gehäuse der eingangs angegebenen Art den thermischen Leitungswiderstand zu reduzieren und die wirksame Wärmeleitung zu verbessern, sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Elements anzugeben.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 11 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich der Widerstand, den das Material der Wärmeleitung entgegensetzt, wesentlich reduzieren, nämlich durch eine Reduzierung der Wärmeleitstrecke. Dies wird durch Nuten erreicht, die sich von der den Rippen gegenüberliegenden Seite her durch die Wand und in die Rippen hinein erstrecken. Hierdurch läßt sich ohne eine Beeinträchtigung der Oberflächengröße die Größe der Wärmeleitstrecke reduzieren, und zwar auf ein einer erforderliche Wandstärke der hohlen Rippe entsprechendes Maß. Infolge dessen ist bei der Erfindung nicht die Rippenhöhe relevant, sondern die Wandstärke der Rippe, die im Vergleich mit der Rippenhöhe bei der bekannten Ausgestaltung nur ein Bruchteil beträgt, da die Rippenhöhe ein Mehrfaches der durch die Erfindung erzielbaren Wandstärke beträgt.
- Darüber hinaus ergibt sich bei der Erfindung der weitere Vorteil, daß im Bereich der Nuten die Oberfläche des Elements vergrößert wird. Folglich wird hierdurch die mögliche Wärmeübertragung auf der den Rippen abgewandten Seite des Elements vergrößert.
- Die vorbeschriebenen Vorteile gelten auch für ein Gehäuse mit Seitenwänden, die jeweils ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Element aufweisen.
- Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Gehäuse wird der Wärmeaustausch dadurch verbessert, daß eine Strömungsleitwand innen am Wärmetauscher-Element angeordnet ist, wodurch die Nuten seitlich geschlossen werden und sich dadurch Strömungskanäle ergeben, in denen eine forcierte Strömung und eine dadurch verbesserte Wärmeübertragung stattfindet. Hierbei ergibt sich ein Strömungskreislauf, der außenseitig von der Strömungsleitwand in den Nuten und innenseitig davon im durch die Strömungsleitwand begrenzten Innenraum des Gehäuses verläuft.
- In den Unteransprüchen sind Merkmale enthalten, die eine günstige und rationelle Einarbeitung der Nuten ermöglichen, zu einer Stabilisierung des Wärmetauscher-Elements beitragen und die Wärmeübertragung weiter verbessern.
- Weitere Weiterbildungen der Erfindung beziehen sich auf vorteilhafte Gehäuseausbildungen mit erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Wänden.
- Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
-
1 ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Element in perspektivischer Darstellung; -
2 das Wärmetauscher-Element in einer Vorderansicht; -
3 das Wärmetauscher-Element nach2 in vergrößerter Draufsicht; -
4 den Teilschnitt IV-IV in2 ; -
5 den Teilschnitt v-V in2 und -
6 ein durch mehrere Wärmetauscher-Elemente gebildetes Gehäuse in perspektivischer Darstellung. - Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist das mit 1 bezeichnete Wärmetauscher-Element ein flacher Körper viereckiger Form, der durch eine Wärmetauscher-Wand
2 gebildet ist, die auf einer Seite sich vorzugsweise parallel zueinander erstreckende Wärmetauscher-Rippen3 aufweist. Außerdem weist das Element1 Nuten4 auf, die die Wand2 von der anderen Seite her quer durchsetzen und sich soweit in die Rippen3 hinein erstrecken, daß sie bezüglich ihrer Tiefe t von einer Grundwand5 begrenzt sind, und bezüglich ihrer Breite b von verbleibenden Seitenwänden6 der Rippen3 begrenzt sind. Das Wärmetauscher-Element1 ist somit quer durchgehend geschlossen. Die Öffnung der Nuten4 ist mit 4a bezeichnet. - Beim Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Rippen
3 von dem einen, hier ebenen Rand2a bis zum gegenüberliegenden, hier parallelen Rand2b . Diese Ränder2a ,2b bilden mit den sich dazu rechtwinklig erstreckenden übrigen Rändern2c ,2d eine rechteckige Form des Wärmetauscher-Elements1 bzw. der Wand2 . Die der Wand2 gegenüberliegenden freien Ecken der Rippen3 sind abgestumpft, vorzugsweise gerundet, siehe Rundungen7 . - Die Nuten
4 enden in einem Abstand a von den zugehörigen Rändern2a ,2b . Beim Ausführungsbeispiel sind die Nuten3 spanabhebend ausgearbeitet, z.B. mit einem nicht dargestellten Scheibenfräser. Hierdurch ergeben sich an den Enden der Nuten4 konkav gerundete Endflächen4a . Im benachbarten Bereich B der Rippen3 sind diese somit stabilisiert und beim Ausführungsbeispiel vollwandig. - Die Dicke der innen z. B. gerundeten Grundwände
5 kann wenige Millimetern aufweisen. Dies gilt auch für die Dicke der die Nuten4 seitlich begrenzenden Seitenwände6 der Rippen3 . Die Abmessungen der Rippen3 einerseits und der Nuten4 andererseits sind jeweils vorzugsweise gleich. - Die äußeren Nuten
4 weisen von den zugehörigen Rändern2c ,2d einen Abstand c auf, der in der betreffenden Seitenfläche2a der Wand2 liegt, so daß sich eine umlaufende Randfläche8 an der betreffenden Breitseite der Wand2 ergibt. - Das Wärmetauscher-Element
1 läßt sich vorteilhaft mit folgenden Verfahrensschritten herstellen. - In einem ersten Verfahrensschritt wird die Wärmetauscher-Wand
2 mit den Rippen3 einteilig geformt. Dies kann spanabhebend durch die Einarbeitung von längs durchgehenden Nuten3a in einen Rohling erfolgen, dessen Dicke der Wanddicke zuzüglich der Rippenhöhe entspricht. Die Rippen3 erstrecken sich vorzugsweise gerade in Profilform. - Das Formen der Wand
2 mit den Rippen3 kann auch anders, z. B. durch Gießen oder Druckgießen in einer Gießform, erfolgen, oder es kann auch ein Profilstück entsprechend der Profilform vorgefertigt und verwendet werden, das z. B. in passender Länge von einer Profilstange abgelängt wird. - In das soweit vorgefertigte Wärmetauscher-Element
1 werden dann die Nuten4 von der den Rippen3 abgewandten Seite her in die Wand2 eingearbeitet und zwar so tief, daß die Nuten4 die Wand2 durchsetzen und sich in die Rippen3 hinein erstrecken. Die Einarbeitung erfolgt vorzugsweise mit einem konvergenten Nutendauslauf, siehe Endflächen4a , was zu der bereits beschriebenen Stabilisierung des Wärmetauscher-Elements1 in dessen Randbereich führt. - Die Einarbeitung der Nuten
4 erfolgt vorzugsweise durch Fräsen, insbesondere mit einem Scheibenfräser, dessen Verwendung die konkav gerundeten Endflächen4a ergibt. - Die spanabhebende Einarbeitung der Nuten
4 und gegebenenfalls auch der Nuten3a kann maschinell in einfacher Weise und rationell erfolgen. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, zuerst die Nuten4 und dann die Nuten3a einzuarbeiten. - Die spanabhebende Herstellung der Nuten
3a bzw. der Rippen3 und der Nuten4 führt zu dem Vorteil, daß die Querschnittsgrößen der Nuten4 und der Rippen3 wahlweise bestimmt werden können, z. B. unter Berücksichtigung von Anforderungen, die durch einen Luftdurchsatz bestimmter Größe vorgegeben sind. Hierdurch kann das Element1 bestimmter Größe an unterschiedliche Luftdurchsatzleistungen bzw. Wärmeaustauschleistungen angepaßt werden. - Mehrere erfindungsgemäße Wärmetauscher-Elemente
1 eignen sich in vorteilhafter Weise dazu, ein Gehäuse15 zu bilden, z. B. mit zwei einander gegenüberliegend angeordneten Seitenwänden16 ,17 , einer Rückwand18 , einer Bodenwand19 und einer Deckenwand20 , wobei die Seitenwände16 ,17 und/oder die Rückwand18 jeweils durch ein Wärmetauscher-Element1 gebildet sind. Die Wärmetauscher-Elemente1 sind mit ihren Rippen3 nach außen weisend angeordnet, so daß die Nuten4 innen angeordnet sind. - Das in
6 dargestellte Gehäuse15 weist an einer Vorderseite eine Zugangsöffnung21 auf, die z. B. dadurch gebildet sein kann, daß an der Vorderseite eine Gehäusewand fehlt. Für den Verschluß des Gehäuses15 ist eine weitere, nicht dargestellte Seitenwand bzw. Vorderwand vorgesehen, mit der die Zugangsöffnung21 verschließbar ist. Für den Anbau dieser zusätzlichen Seitenwand ist an der Zugangsöffnung21 ein Flansch22 vorgesehen, der auf dem Umfang verteilt angeordnete Schraubenlöcher23 aufweist, in die nicht dargestellte Schrauben einführbar und mit der zusätzlichen Seitenwand verschraubbar sind. Die nicht dargestellte zusätzliche Seitenwand ist vorzugsweise im Sinne des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Elements1 ausgebildet. Deshalb gilt die diesbezügliche Beschreibung der Seitenwände16 ,17 nicht nur für die Rückwand18 , sondern auch für diese zusätzliche Seitenwand. - An einer oder mehreren der aufrechten Seitenwände des Gehäuses
15 , die durch ein Wärmetauscher-Element1 gebildet sind, ist eine Strömungsleitwand24 angeordnet und in nicht dargestellter Weise befestigt, die die Nuten4 innenseitig abdeckt und somit horizontal schließt, so daß die Nuten4 nur im oberen und unteren Bereich mit dem Innenraum25 des Gehäuses15 in Verbindung stehen. Hierdurch werden für die Nuten4 Strömungskreisläufe26 geschaffen, die sich aufrecht erstrecken und außenseitig von der zugehörigen Strömungsleitwand24 durch. die betreffende Nut4 und innenseitig von der Strömungsleitwand24 durch den von der Strömungsleitwand24 begrenzten Innenhohlraum25a gebildet sind. Dabei bildet der Innenhohlraum25a einen für alle Strömungskreisläufe26 der Nuten4 gemeinsamen inneren Strömungskreislaufabschnitt26a . - Im Betrieb des Gehäuses
15 wird bei einer Erwärmung im Innenraum25 des Gehäuses15 in den Strömungskreisläufen26 selbsttätig eine Kreislaufströmung erzeugt, die aufgrund des natürlichen Auftriebs in den Strömungskreislaufabschnitten26a aufwärts und in den gekühlten Kanälen4 abwärts gerichtet ist. Die Kreislaufströmung kann durch einen Ventilator forciert werden, der durch einen Antriebsmotor28 antreibbar ist. - Beim Ausführungsbeispiel hat jeweils die Strömungsleitwand
24 mit ihrem oberen und unteren Rand einen Abstand e, f von der Bodenwand19 und der Deckenwand20 , wodurch die Kanäle4 zum Innenraum25 hin offen sind. Außerdem kann z. B. im Abstand e oberhalb der Bodenwand19 eine Bodenzwischenwand28 angeordnet sein, die ein oder mehrere vertikale Strömungslöcher29 aufweist, das bzw. die Teil des inneren Strömungskreislaufabschnitts26a ist bzw. sind. Das nicht dargestellte Lüfterrad des Ventilators27 kann im Loch29 angeordnet sein. In6 ist nur der Antriebsmotor28 des Ventilators27 gezeigt. - Wie
6 deutlich erkennen läßt, findet beim Gehäuse15 ein forcierter innerer und äußerer Wärmetausch statt. Der innere Wärmetausch beruht auf der Wirksamkeit der Strömungskreisläufe26 und der äußere Wärmetausch beruht auf der Wirksamkeit einer äußeren aufwärts gerichteten Konvektions-Strömung, die aufgrund des natürlichen Auftriebs zwischen den Rippen3 stattfindet und durch aufwärts gerichtete Pfeile31 verdeutlicht ist. - Die Ausgestaltungen nach
6 eignet sich vorzüglich für ein geschlossenes System, wie es das Gehäuse15 darstellt. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist für ein Antennenanpaßgerät konzipiert. Es sind jedoch auch eine Vielzahl von anderen Anwendungen denkbar.
Claims (17)
- Wärmetauscher-Element (
1 ) mit einer Wand (2 ), die auf einer Seite Rippen (3 ) aufweist, gekennzeichnet durch, Nuten (4 ), die sich durch die Wand (2 ) hindurch in die Rippen (3 ) hinein erstrecken und an der den Rippen (3 ) abgewandten Seitenfläche (2a ) der Wand (2 ) geöffnet sind. - Wärmetauscher-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (
4 ) Endflächen (4a ) aufweisen, die nach innen konvergent, insbesondere schräg oder konkav gerundet, verlaufen. - Wärmetauscher-Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (
4 ) spanabhebend eingearbeitet sind, insbesondere durch Fräsen, vorzugsweise durch Fräsen mit einem Schreibenfräser. - Wärmetauscher-Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (
4 ) in einem Abstand (a) vom benachbarten Rand (2a ,2b ) der Wand (2 ) enden. - Wärmetauscher-Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Nuten (
4 ) einen Abstand (c) von den benachbarten Rändern (2c ,2d ) aufweisen. - Wärmetauscher-Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (
2 ) eben ist. - Wärmetauscher-Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Metall, insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, besteht.
- Wärmetauscher-Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens eine Seitenwand (
16 ,17 ) eines Gehäuses (15 ) bildet, wobei die Nuten (4 ) nach innen öffnend angeordnet sind. - Wärmetauscher-Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Wärmetauscher-Elemente (
1 ) zwei einander gegenüberliegende Seitenwände (16 ,17 ) und eine diese miteinander verbindende Rückwand (18 ) des Gehäuses (15 ) bilden. - Wärmetauscher-Element nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, das Wärmetauscher-Element (
1 ) eine Verschlußwand zum Verschließen einer Zugangsöffnung (21 ) des Gehäuses (15 ) bildet. - Wärmetauscher-Gehäuse (
15 ) mit einer oder mehreren Seitenwänden (16 ,17 ,18 ), die jeweils durch ein Wärmetauscher-Element (1 ) mit einer Wand (2 ) gebildet sind, die auf ihrer Außenseite verlaufende Rippen (3 ) aufweist, gekennzeichnet durch, Nuten (4 ), die sich durch die Wand (2 ) hindurch in die Rippen (3 ) hinein erstrecken und an der den Rippen (3 ) abgewandten Seitenfläche (2a ) der Wand (2 ) geöffnet sind, wobei jeweils an der Innenseite der Wand (2 ) eine Strömungsleitwand (24 ) angeordnet ist, und wobei die Nuten (4) im oberen und unteren Bereich zu einem Innenhohlraum (25a ) des Gehäuses (15 ) offen sind. - Wärmetauscher-Gehäuse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuseinnenraum (
25a ) ein Ventilator (27 ) zum Erzeugen einer Strömung in den Nuten (4 ) angeordnet ist. - Wärmetauscher-Gehäuse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Bodenbereich des Gehäuses (
15 ) eine Bodenzwischenwand (28 ) angeordnet ist, in der wenigstens ein Durchgangsloch (29 ) angeordnet ist. - Wärmetauscher-Gehäuse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator (
27 ) unter der Bodenzwischenwand (28 ) oder im Durchgangsloch (29 ) angeordnet ist. - Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauscher-Elements (1) , bei dem eine Wand (
2 ) mit Rippen (3 ) an ihrer einen Seite geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Nuten (4 ) geformt werden, die sich durch die Wand (2 ) hindurch in die Rippen (3 ) hinein erstrecken und an der den Rippen (3 ) abgewandten Seitenfläche (2a ) der Wand (2 ) geöffnet sind. - Verfahren nach Anspruch
15 , dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (4 ) spanabhebend eingearbeitet werden, insbesondere gefräst werden, vorzugsweise mit einem Scheibenfräser. - Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (
3 ) vorzugsweise vor den Nuten (4 ) durch spanabhebendes Bearbeiten ihrer Zwischenbereiche geformt werden, insbesondere durch Fräsen, vorzugsweise mit einem Scheibenfräser.
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