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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der am 10. April 2008 eingereichten US-Patentanmeldung mit der seriellen Nummer 61/043,888, von welcher Patentanmeldung die Inhalte hierin durch Bezugnahme enthalten sind.
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HINTERGRUND
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Beispielhafte Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, beziehen sich auf Wärmetauscher, und insbesondere auf Wärmetauscher mit eingebauten bzw. enthaltenen Umgehungskanälen, um einen gewissen Fluss durch den Wärmetauscher unter einer Vielfalt von Betriebsbedingungen zur Verfügung zu stellen.
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Wo Wärmetauscher zum Kühlen von Ölen, wie beispielsweise Motor- oder Getriebeölen bei Kraftfahrzeuganwendungen, verwendet werden, müssen die Wärmetauscher für gewöhnlich selbst dort während der gesamten Zeit in die Flusskreisläufe verbunden sein, wo die Umgebungstemperatur so ist, dass keine Ölkühlung erforderlich ist. Für gewöhnlich enthält der Motor oder das Getriebe irgendeine Art von Pumpe, um einen Öldruck zur Schmierung zu erzeugen, und die Pumpe oder der dadurch erzeugte Öldruck veranlasst, dass das Öl durch den Wärmetauscher zirkuliert wird, um zu einer Ölwanne und dem Ein lass der Pumpe zurückgebracht zu werden. Unter kalten Umgebungsbedingungen wird das Öl sehr viskos, manchmal sogar wie ein Gel, und unter diesen Bedingungen ist der Flusswiderstand durch den Wärmetauscher so groß, dass wenig oder kein Öl durch den Wärmetauscher fließt, bis sich das Öl aufwärmt. Das Ergebnis davon ist, dass bei kalten Bedingungen ein Rückkehrfluss zu dem Getriebe oder dem Motor bis zu dem Punkt wesentlich reduziert ist, bei welchem das Getriebe oder der Motor dazu gelangen kann, an Schmierölmangel zu leiden, was einen Schaden verursacht, oder dass das Öl innerhalb des Motors oder des Getriebes überhitzt werden kann, bevor der Wärmetauscher in Betrieb gelangt, in welchem Fall oft ein Schaden an dem Motor oder dem Getriebe folgt.
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Eine Art zum Überwinden dieser Schwierigkeiten besteht darin, eine Rohrleitung oder ein Rohr zur Verfügung zu stellen, die oder das zulässt, dass der Fluss den Wärmetauscher bei kalten Flussbedingungen umgeht. Manchmal ist ein Umgehungskanal oder eine Umgehungsdurchführung geeignet in dem Wärmetauscher zwischen dem Einlass und dem Auslass des Wärmetauschers eingebaut. Die Umgehungsdurchführung hat selbst unter kalten Umgebungsbedingungen einen geringen Flusswiderstand, so dass ein gewisser Umgehungs- oder Kurzschlussfluss aufgebaut werden kann, bevor irgendein Schaden erfolgt, wie es oben angegeben ist. Für gewöhnlich sind diese Umgehungskanäle gerade oder flache Rohre, um einen Kaltflusswiderstand dort hindurch zu minimieren, und während solche Umgehungskanäle den nötigen kalten Fluss zur Verfügung stellen, haben sie diesbezüglich einen schädlichen Effekt, dass dann, wenn sich das Öl aufheizt und die Viskosität abfällt, ein exzessiver Fluss durch die Umgehungskanäle läuft und die Fähigkeit des Wärmetauschers, Wärme abzuführen, reduziert wird. Um dies zu kompensieren, muss der Wärmetauscher größer gemacht werden, als es sonst der Fall wäre. Dies ist unerwünscht, weil es Kosten erhöht, und oft gibt es ungenügenden Raum, der zum Anbringen eines größeren Wärmetauschers in einen Motorraum oder ähnliches verfügbar ist.
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Demgemäß ist eine verbesserte Umgehungsstruktur für einen Wärmetauscher erwünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Wärmetauscher zur Verfügung gestellt, der eine Vielzahl von gestapelten, rohrförmigen Elementen aufweist, die Flussdurchgänge dorthindurch definieren, wobei die rohrförmigen Elemente jeweils erhöhte, periphere Endbereiche haben, die jeweilige Einlass- und Auslassöffnungen definieren, so dass in den gestapelten, rohrförmigen Elementen die jeweiligen Einlass- und Auslassöffnungen kommunizieren, um Einlass- und Auslassanschlussstücke bzw. -rohrverzweigungen zu definieren. Eine Umgehungsdurchführung ist an den gestapelten, rohrförmigen Elementen angebracht. Die Umgehungsdurchführung hat entgegengesetzte Endbereiche und eine rohrförmige, mittlere Wand, die sich dazwischen erstreckt, während sie einen Flusskanal definiert. Die entgegengesetzten Endbereiche der Umgehungsdurchführung definieren jeweils eine erste Fluidöffnung und eine zweite Fluidöffnung, die jeweils mit der Einlassrohrverzweigung und der Auslassrohrverzweigung kommunizieren, wobei der Flusskanal einen ersten Flussdurchgangsbereich in direkter Kommunikation mit dem Fluideinlass und einen zweiten Flussdurchgangsbereich in direkter Kommunikation mit dem Fluidauslass hat. Der erste Flussdurchgang und der zweite Flussdurchgang kommunizieren miteinander durch einen flussbeschränkenden, kalibrierten Umgehungsflussdurchgang für einen kontinuierlichen Fluss von Fluid, der die gestapelten, rohrförmigen Elemente umgeht.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird eine Umgehungsdurchführung für einen Wärmetauscher mit gestapelten Platten zur Verfügung gestellt, die folgendes aufweist: erste und zweite Plattenelemente, die jeweils einen im Wesentlichen planaren, zentralen Bereich aufweisen, der durch einen versetzten, peripheren Flansch umgeben ist, wobei die peripheren Flansche der ersten und zweiten Platten abdichtbar miteinander verbunden sind und die planaren, zentralen Bereiche der ersten und zweiten Platten in beabstandeter Gegenüberstellung sind, um einen Umgehungskanal zu definieren, und eine flussbeschränkende Struktur, die eine fluidbeschränkende Barriere in dem Umgehungskanal zur Verfügung stellt, wobei die flussbeschränkende Struktur einen kalibrierten Umgehungsdurchgang definiert, der den Fluss von Fluid durch den Umgehungskanal regelt.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Wärmetauschers mit gestapelten Platten zur Verfügung gestellt, das folgendes aufweist: (a) Bereitstellen einer Umgehungsdurchführung durch Ausbilden erster und zweiter Plattenelemente durch Bandprofilierung bzw. Bandumformung oder Stanzen, wobei die ersten und zweiten Plattenelemente jeweils einen im Wesentlichen planaren, zentralen Bereich aufweisen, der durch einen versetzten, peripheren Flansch umgeben ist, wobei die ersten und zweiten Platten so bandprofiliert bzw. bandumgeformt oder gestanzt werden, dass dann, wenn die peripheren Flansche der ersten und zweiten Platten abdichtend miteinander verbunden werden, die planaren, zentralen Bereiche in beabstandeter Gegenüberstellung sind, um einen Flusskanal auszubilden, und gemeinsam mit den peripheren Flanschen einen flussbeschränkenden kalibrierten Umgehungsflussdurchgang entlang eines Bereichs des Flusskanals definieren; Bereitstellen einer Vielzahl von rohrförmigen Plattenpaarelementen, die jeweils Flussdurchgänge dorthindurch definieren, wobei die rohrförmigen Plattenpaarelemente jeweils erhöhte, periphere Endbereiche haben, die jeweilige Einlass- und Auslassöffnungen definieren; und derartiges Anordnen der Umgehungsdurchführung und der rohrförmigen Plattenpaarelemente, dass die rohrförmigen Plattenpaarelementen mit den jeweiligen Einlass- und Auslassöffnungen gestapelt werden, die kommunizieren, um Einlass- und Auslassanschlussstücke bzw. -rohrverzweigungen zu definieren, und die Umgehungsdurchführung an den gestapelten, rohrförmigen Plattenpaarelementen mit entgegengesetzten Endbereichen angebracht wird, die jeweils eine erste Fluidöffnung und eine zweite Fluidöffnung definieren, die mit der Einlassrohrverzweigung und der Auslassrohrverzweigung kommunizieren, wobei der Flusskanal der Umgehungsdurchführung einen ersten Flussdurchgangsbereich in direkter Kommunikation mit dem Fluideinlass und einen zweiten Flussdurchgangsbereich in direkter Kommunikation mit dem Fluidauslass hat und der erste Flussdurchgang und der zweite Flussdurchgang durch den flussbeschränkenden, kalibrierten Umgehungsflussdurchgang miteinander kommunizieren, um einen kontinuierlichen Fluss von Fluid zuzulassen, der die gestapelten Plattenpaarrohrelemente umgeht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei in allen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Merkmale und Komponenten zu zeigen:
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1 ist eine Aufrissansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Wärmetauschers;
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2 ist eine auseinandergezogene, vergrößerte, perspektivische Ansicht der linken Seite des in 1 gezeigten Wärmetauschers;
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3 ist eine vergrößerte, vertikale Schnittansicht des Bereichs der 1, der durch den strichpunktierten Kreis 3 angezeigt ist;
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4 ist eine Draufsicht auf den Umgehungskanal des Wärmetauschers der 1;
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5 ist eine vertikale Teilansicht im Schnitt entlang der Linien V-V der 4;
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6 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie VI-VI der 4;
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7 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien VII-VII der 4;
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8 ist eine Endansicht eines rohrförmigen Elements, das zum Bereitstellen eines kalibrierten Umgehungsdurchgangs durch den Umgehungskanal der 4 verwendet wird;
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9 ist eine Draufsicht auf das rohrförmige Element der 8;
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10 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Umgehungskanals für einen Wärmetauscher;
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11 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien XI-XI der 10;
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12 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Umgehungskanals für einen Wärmetauscher;
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13 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien XIII-XIII der 12;
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14 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Umgehungskanals für einen Wärmetauscher;
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15 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien XV-XV der 14;
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16 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Umgehungskanals für einen Wärmetauscher;
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17 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien XVII-XVII der 16;
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18 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Umgehungskanals für einen Wärmetauscher;
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19 ist eine vertikale Teilansicht im Schnitt entlang der Linien XIX-XIX der 18;
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20 ist eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien XX-XX der 18;
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21 ist eine Draufsicht auf ein Trennelement, das zum Bereitstellen eines kalibrierten Umgehungsdurchgangs durch den Umgehungskanal der 18 verwendet wird;
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22 ist eine diagrammmäßige Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Wärmetauschers, der einen Umgehungskanal enthält;
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23 ist eine diagrammmäßige Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Wärmetauschers, der einen Umgehungskanal enthält;
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24 ist eine diagrammmäßige Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Wärmetauschers, der einen Umgehungskanal enthält; und
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25 ist eine diagrammmäßige Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Wärmetauschers, der einen Umgehungskanal enthält.
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BESCHREIBUNG
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Nimmt man zuerst Bezug auf die 1 und 2, ist ein Wärmetauscher gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein durch das Bezugszeichen 10 angezeigt. Der Wärmetauscher 10 ist aus einer Vielzahl gestapelter, rohrförmiger Elemente 12 ausgebildet, die Flussdurchgänge dort hindurch definieren. Bei der dargestellten Ausführungsform sind rohrförmige Elemente 12 auf oberen und unteren Platten 14, 16 ausgebildet und können somit Plattenpaare genannt werden. Die Platten 14, 16 haben erhöhte, periphere Endbereiche 18, 20. Die Endbereiche 18, 20 haben jeweilige Einlass- oder Auslassöffnungen 22 (siehe 3), so dass in den gestapelten, rohrförmigen Elementen 12 Einlass/Auslass-Öffnungen 22 kommunizieren, um Einlass- und Auslassrohrverzweigungen 26, 28 zu definieren. Die rohrförmigen Elemente 12 haben auch zentrale, rohrförmige Bereiche 30, die sich zwischen den Einlass- und Auslassrohrverzweigungen 26, 28 erstrecken und in Kommunikationsverbindung mit diesen sind. Die Einlass- und Auslassrohrverzweigungen 26, 28 sind austauschbar, so dass eine der Einlass sein könnte, während die andere der Auslass ist. In jedem Fall fließt Fluid von einer der Rohrverzweigungen 26 oder 28 durch die zentralen Bereiche 30 der rohrförmigen Elemente 12 zu der anderen der Rohrverzweigungen 26, 28.
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Die zentralen Bereiche 30 der rohrförmigen Elemente 12 können Turbulatoren oder Turbulizer bzw. Wirbelerzeuger 32 darin angeordnet haben. Die Wirbelerzeuger 32 sind aus Streckmetall oder anderem Material ausgebildet, um wellenförmige Flussdurchgänge zu erzeugen, um die Wärmeübertragungsfähigkeit der rohrförmigen Elemente 12 zu erhöhen. Die Wirbelerzeuger 32 und die Innenabmessungen der zentralen Bereiche 30 der Platten veranlassen, dass die rohrförmigen Elemente 12 einen vorbestimmten inneren Kaltflusswiderstand haben, welches der Widerstand gegenüber einem Fluidfluss durch die rohrförmigen Elemente 12 ist, wenn das Fluid kalt ist. Der Wärmetauscher 10 wird typischerweise zum Kühlen von Motor- oder Getriebeöl verwendet, welches sehr viskos ist, wenn es kalt ist. Wenn sich das Öl erhitzt, fällt seine Viskosität ab und tritt ein normaler Fluss durch die rohrförmigen Elemente 12 auf.
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Wie es am besten in den 2 und 3 zu sehen ist, veranlassen die erhöhten Endbereiche 18, 20 der Platten 14, 16, dass die zentralen Bereiche 30 der rohrförmigen Elemente 12 beabstandet sind, um transversale, externe Flussdurchgänge 34 zwischen den rohrförmigen Elementen zu definieren. Gewellte bzw. gewölbte Kühlungsrippen 36 sind in den externen Flussdurchgängen 34 angeordnet. Normalerweise läuft Luft durch die Kühlungsrippen 36, so dass der Wärmetauscher 10 Wärmetauscher vom Typ Öl zu Luft genannt werden kann.
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Der Wärmetauscher 10 enthält auch eine längliche, rohrförmige Umgehungsdurchführung 38 und oberste und unterste Endplatten oder Montageplatten 40, 42. Die oberste Montageplatte 40 enthält Einlass- und Auslassanbauten oder Rohrstutzen 44, 46 für den Fluss von Fluid in und aus den Einlass- und Auslassrohrverzweigungen 26, 28. Die unterste Montageplatte 42 hat einen flachen, zentralen, planaren Bereich 48, der die Einlass/Auslass-Öffnungen 22 in der untersten Platte 16 des untersten rohrförmigen Elements 12 verschließt.
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Wie es am besten in den 2 und 3 zu sehen ist, ist bei einer beispielhaften Ausführungsform eine Kühlungsrippe 50 halber Höhe zwischen der Umgehungsdurchführung 38 und dem obersten rohrförmigen Element 12 angeordnet. Eine weitere Kühlungsrippe 52 halber Höhe ist zwischen dem untersten rohrförmigen Element 12 und der untersten Montageplatte 42 angeordnet. Die Rippen 50, 52 halber Höhe können aus demselben Material ausgebildet sein, das zum Herstellen der Wirbelerzeuger 32 verwendet wird, um die Anzahl unterschiedlicher Komponenten zu reduzieren, die zum Herstellen des Wärmetauschers 10 verwendet werden. Jedoch können die Kühlungsrippen 50, 52 ebenso in anderen Konfigurationen hergestellt werden, wie beispielsweise derselben Konfiguration wie die Kühlungsrippen 36, aber mit reduzierter Höhe.
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Wie es oben angegeben ist, sind die rohrförmigen Elemente 12 aus Platten 14, 16 ausgebildet, die Seite an Seite liegen, und sie können somit Plattenpaare genannt werden. Die Platten 14, 16 sind identisch. Anstelle eines Verwendens von Wirbelerzeugern 32 zwischen den zentralen Bereichen 30 dieser Plattenpaare 12 könnten die zentralen Bereiche 30 nach innen angeordnete Paarungsvertiefungen haben, um die nötige Flussturbulenz innerhalb der rohrförmigen Elemente zu erzeugen. Weiterhin müssen die rohrförmigen Elemente 12 nicht aus Plattenpaaren hergestellt sein. Sie könnten aus Rohren mit geeignet erweiterten Endbereichen hergestellt sein, um Rohrverzweigungen 26, 28 zu definieren. Ebenso könnten die Kühlungsrippen 36, 50 und 52 weggelassen werden, wenn es erwünscht ist. In diesem Fall könnten nach außen angeordnete Vertiefungen in den zentralen Bereichen 30 des rohrförmigen Elements ausgebildet sein, um irgendeine nötige Verstärkung oder Turbulenz für den Querfluss von Luft oder anderem Fluid zwischen den rohrförmigen Elementen 12 zur Verfügung zu stellen. Es wird ebenso offensichtlich sein, dass bei dem Wärmetauscher 10 andere Typen von Montageplatten 40, 42 verwendet werden können. Die gestapelten, rohrförmigen Elemente 12 können Kern 200 genannt werden. Der Kern 200 kann irgendeine erwünschte Breite oder Höhe haben, aber für gewöhnlich ist es vorzuziehen, dass die Kerngröße so klein wie möglich ist, um eine erforderliche Wärmeübertragungsfähigkeit zu erreichen.
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Nimmt man als nächstes Bezug auf die 4 bis 9, wird nun eine beispielhafte Ausführungsform der Umgehungsdurchführung 38 detailliert beschrieben werden. Bei der Ausführungsform der 4 bis 9 ist die Umgehungsdurchführung 38 aus zwei identischen Platten 54, 56, die Seite an Seite liegen, ausgebildet, welche jeweils einen zentralen, planaren Bereich 58 und erhöhte oder versetze, periphere Flansche 60 haben. Periphere Seitenwände 61 verbinden den zentralen, planaren Bereich 58 mit den Flanschen 60. Die Umgehungsdurchführung 38 oder wenigstens die Platten 54, 56 haben entgegengesetzte Endbereiche 62, die Einlass/Auslass-Öffnungen 64 definieren. Die zentralen Bereiche 58 und die peripheren Seitenwände 61 bilden eine rohrförmige mittlere Wand, die sich zwischen den entgegengesetzten Endbereichen 62 erstreckt, um einen internen Umgehungskanal 65 zu definieren, der sich zwischen den jeweiligen Einlass/Auslass-Öffnungen 64 erstreckt.
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Wie es am besten in 3 zu sehen ist, kommunizieren die Einlass/Auslass-Öffnungen 64 der Umgehungsdurchführung 38 mit den jeweiligen Einlass- und Auslassrohrverzweigungen 26, 28 und den Einlass- und Auslassanbauten 44, 46. Somit wird beispielsweise ein Fluss, der in den Anbau 44 eintritt, in die Rohrverzweigung 26 laufen, um durch die rohrförmigen Elemente 12 zu laufen, aber ein Teil des Flusses wird durch den Umgehungskanal 65 laufen, der durch die rohrförmige mittlere Wand 66 definiert ist.
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Nimmt man wieder Bezug auf die 4–7, sind die zentralen, planaren Bereiche 58 der mittleren Wand 66 an einer Stelle zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen 64 unterbrochen, um einen flussbeschränkenden Bereich 100 zur Verfügung zu stellen, der einen kalibrierten Umgehungsdurchgang 102 in dem Umgehungskanal 65 definiert. Insbesondere ist bei der dargestellten Ausführungsform die mittlere Wand 66 bei dem flussbeschränkenden Bereich 100 nach innen zugespitzt, um einen kleineren Querschnittsflussbereich als der Rest des Umgehungskanals 65 zur Verfügung zu stellen. Somit hat der Umgehungskanal 65 erste und zweite Flussdurchgänge 104 und 106, die miteinander einzig durch den mittleren kalibrierten Umgehungsdurchgang 102 kommunizieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Querschnittsflussbereiche der ersten und zweiten Flussdurchgänge 104 und 106 im Wesentlichen gleich, wobei der Flusswiderstand des kalibrierten Umgehungsdurchgangs 102 wesentlich größer als der Rest des Umgehungskanals 65 ist. Somit definiert der Umgehungsdurchgang 102 den minimalen Querschnittsbereich des Umgehungsflusses, der entlang der Länge des Umgehungskanals 65 fließt.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Platten, die die Umgehungsdurchführung 58 und die rohrförmigen Elemente 12 bilden, aus hartlötplattiertem Aluminium ausgebildet. Um einen Umgehungsdurchgang 102 zur Verfügung zu stellen, der relativ tolerant gegenüber Herstellungs- und Hartlötvariationen ist, die dann auftreten können, wenn die Platten 54, 56 ausgebildet werden und dann darauffolgend aneinander hartgelötet werden, ist eine kalibrierte, rohrförmige Struktur 108, wie sie in den 5, 6, 8 und 9 gezeigt ist, zwischen den Platten 54, 58 in dem flussbeschränkenden Bereich 100 befestigt, um den kalibrierten Umgehungsdurchgang zu definieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die kalibrierte, rohrförmige Struktur 108 zylindrisch mit einer Länge L, einem Innendurchmesser DI und einem Außendurchmesser DO. Bei wenigstens einigen Ausführungsformen ist die kalibrierte, rohrförmige Struktur 108 in dem flussbeschränkenden Bereich 100 vor Ort durch Hartlöten an die hartlötplattierten Platten 54, 56 befestigt, ist aber aus nicht hartlötplattiertem Stahl oder Aluminium ausgebildet, so dass der Innendurchmesser DI durch den Zusammenbau- und Hartlötprozess im Wesentlichen unbeeinflusst ist, der zum Aufbauen der Flussdurchführung 58 verwendet wird.
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Die mittlere Wand 66, die durch die Platten 54, 56 zur Verfügung gestellt ist, ist in dem flussbeschränkenden Bereich 100 geformt, um einen Sitz 116 für die kalibrierte, rohrförmige Struktur 108 zur Verfügung zu stellen. Wie es in 5 gezeigt ist, haben die zentralen, planaren Plattenbereiche 58 der Platten 54, 56 jeweils Bereiche 112, die in dem Bereich 100 sowohl in Höhenrichtung als auch in Breitenrichtung nach innen zugespitzt sind, um die Größe des Flusskanals, der zwischen den Platten 54, 56 definiert ist, auf den Außendurchmesser DO der rohrförmigen Struktur 108 zu reduzieren und um dadurch den Sitz 116 zu definieren. Innere Erhöhungen oder Kämme 114 können auf den Platten 54, 56 an entgegengesetzten Enden des Sitzes 116 ausgebildet sein, um Schultern zum Positionieren und Zurückhalten der rohrförmigen Struktur 108 vor Ort während und nachfolgend zu einem Zusammenbau der Fluiddurchführung 38 zur Verfügung zu stellen. Bei wenigstens einer beispielhaften Ausführungsform sind die inneren Kämme 114 so dimensioniert, dass sichergestellt ist, dass sie, obwohl sie entgegen einer Längsbewegung der rohrförmigen Struktur 108 wirken, nicht irgendeinen Fluss durch die rohrförmige Struktur 108 blockieren.
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Wie es in 6 zu sehen ist, wird es erkannt werden, dass die Wände des Sitzes 116, die durch die Platten 54 und 56 definiert sind, Bereiche 110 enthalten können, die von einer äußeren Oberfläche der rohrförmigen Struktur 108 beabstandet sind. Bei wenigstens einigen beispielhaften Ausführungsformen werden solche Bereiche 110 während des Hartlötprozesses mit einer Kehlnaht von Hartlötmaterial gefüllt, so dass eine fluiddichte Dichtung im Wesentlichen um die gesamte äußere Oberfläche der rohrförmigen Struktur 108 zur Verfügung gestellt wird und der einzige Flusspfad zwischen den ersten und zweiten Flussdurchgängen 104, 106 durch das Innere der kalibrierten rohrförmigen Struktur 108 verläuft.
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Durch Verwenden einer rohrförmigen Einbaustückstruktur 108 zum Definieren des kalibrierten Umgehungsdurchgangs 102 können die Länge L und der Durchmesser DI des Umgehungsdurchgangs 102 streng kontrolliert werden, was eine relative Immunität gegenüber Herstellungsvariationen bezüglich der Platten 54, 56 und den Hartlötprozess zur Verfügung stellt, die sonst die Vorhersagbarkeit der Flussrate durch den kalibrierten Umgehungsdurchgang 102 beeinflussen bzw. beeinträchtigen könnten. Die rohrförmige Einfügestückstruktur 108 und der kalibrierte Umgehungsdurchgang 102 könnten eine nicht kreisförmige Querschnittsform haben – beispielsweise könnten unter anderem elliptische, rechteckförmige oder quadratische Formen verwendet werden. Weiterhin kann bei wenigstens einigen Anwendungen die rohrförmige Einfügestückstruktur 108 von der Umgehungsflussdurchführung 38 weggelassen werden, so dass der kalibrierte Umgehungsdurchgang 102 einzig durch die innere Oberfläche der Platten 54, 56 an dem flussbeschränkenden Bereich 100 definiert ist; bei einer solchen Ausführungsform könnte die Umgehungsflussdurchführung 38 beispielsweise gleich dem sein, was in den 4–7 gezeigt ist, aber ohne das rohrförmige Einfügestück 108. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen werden die Platten 54, 56 gestanzt oder bandumgeformt, um die hierin beschriebenen Konfigurationen zur Verfügung zu stellen.
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Bei beispielhaften Ausführungsformen sind die relativen Dimensionen des kalibrierten Umgehungsdurchgangs 102 gegenüber dem Rest des Flusskanals 65 durch die Umgehungsdurchführung 38 so, dass die gesamte Menge an Fluidfluss durch den gesamten Umgehungsflusskanal 65 im Wesentlichen eher durch die Dimensionen des kalibrierten Umgehungsdurchgangs 102 als durch die Dimensionen des Rests des Umgehungsflusskanals 65 bestimmt wird. Die Länge L und der Durchmesser DI des kalibrierten Umgehungsdurchgangs 102 werden ausgewählt, um zuzulassen, dass während Kaltflussbedingungen eine erwünschte Menge an Fluid den Hauptwärmetauscherkernbereich 200 umgeht, ohne die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers während normaler Betriebs- oder Heißflussbedingungen wesentlich zu reduzieren. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels ist bei einigen Konfigurationen die Länge L des kalibrierten Umgehungsdurchgangs 102 im Wesentlichen in dem Bereich von 5–8 mm und ist der Durchmesser DI im Wesentlichen in dem Bereich von 2–5 mm.
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Einige beispielhafte Überlegungen, die dahingehend sind, die Größe der Länge L und des Durchmessers DI des kalibrierten Umgehungsflussdurchgangs 102 bei wenigstens einigen beispielhaften Ausführungsformen zu bestimmen, sind wie folgt. Es wird erkannt werden, dass der Fluss durch den kalibrierten Umgehungsflussdurchgang 102 die Wärmeübertragungseffizienz in dem Wärmetauscher reduzieren kann, weil weniger Fluid durch die Wärmeaustauschdurchgänge geht. Der kalibrierte Umgehungsflussdurchgang 102 ist so dimensioniert, dass diese Reduktion in Bezug auf einen Wärmetransfer unter normalen Betriebsbedingungen eine vorbestimmte Grenze nicht überschreitet. Anhand nicht beschränkender Beispiele ist bei einigen Anwendungen eines Motorölkühlers diese vorbestimmte Grenze so niedrig wie 5% der Wärmeübertragungsrate des Wärmetauschers ohne eine Öffnung; bei einigen Anwendungen eines Getriebeölkühlers ist die vorbestimmte Grenze so niedrig wie 10% der Wärmeübertragungsrate des Wärmetauschers ohne einen Umgehungskanal. Bei einigen Anwendungen könnte die vorbestimmte Grenze beispielsweise so hoch wie 25% der Wärmeübertragungsrate des Wärmetauschers ohne einen Umgehungskanal sein. Alternativ dazu kann es möglich sein, die Effizienz des Wärmetauschers zu erhöhen oder die Größe oder die Anzahl der Wärmetauscherplatten oder -rohre und -rippen zu erhöhen, die zum Herstellen der Wärmeaustauschdurchgänge verwendet werden, um die Reduzierung in Bezug auf eine Wärmeübertragung aufzuwiegen, die durch den Umgehungsfluss verursacht wird.
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Der kalibrierte Umgehungsflussdurchgang 102 kann auch so dimensioniert sein, um den Fluiddruckabfall in dem Wärmetauscher um eine vorbestimmte minimale Menge im Vergleich mit demselben Wärmetauscher ohne Umgehungskanal zu reduzieren. Diese vorbestimmte minimale Menge kann beispielsweise zwischen 10 und 30% unter normalen Wärmetauscher-Betriebsbedingungen im stabilen Zustand sein. Bei wenigstens einigen Motorölanwendungen könnte diese vorbestimmte minimale Menge etwa 10% sein, aber sie könnte so hoch wie 20% sein, wenn das Öl heiß ist. In dem Fall von Getriebeöl- oder -fluidanwendungen könnte die vorbestimmte minimale Menge beispielsweise etwa 15% sein, aber sie könnte unter Betriebstemperaturbedingungen so hoch wie 30% sein.
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Der kalibrierte Umgehungsflussdurchgang 102 kann auch so dimensioniert sein, dass dann, wenn Motor- oder Getriebeöl das Fluid ist, das durch den Wärmetauscher läuft, die Flussrate des Öls durch den Wärmetauscher bei allen Betriebstemperaturen, einschließlich von Kaltstartbedingungen, oberhalb einer vorbestimmten unteren Grenze beibehalten wird. Beispielsweise könnte für einige Motorölanwendungen diese vorbestimmte untere Grenze etwa 8 Liter (2 US-Gallonen) pro Minute sein. Für einige Getriebefluidanwendungen könnte die vorbestimmte untere Grenze etwa 2 Liter (0,5 US-Gallonen) pro Minute sein. Beispielsweise kann der kalibrierte Umgehungsflussdurchgang 102 auch so dimensioniert sein, dass der Wärmetauscher-Auslassdruck in dem Fall von Motoröl wenigstens 20 psi (3 kPa) etwa 30 Sekunden nach dem Start des Motors ist. Beispielsweise sollte in dem Fall von einigen Getriebeöl- oder -fluidanwendungen die Flussrate durch den Wärmetauscher wenigstens 2 Liter pro Minute (0,5 US-Gallonen) pro Minute etwa 10 Minuten ab einem Motorkaltstart sein.
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Bei wenigstens einigen beispielhaften Ausführungsformen sind nach innen gerichtete- Rippen oder Vertiefungen an den zentralen planaren Bereichen 58 der Platten 54, 56 der Umgehungsflussdurchführung ausgebildet, um eine Festigkeit für die Durchführung zur Verfügung zu stellen. Diesbezüglich zeigen die 10 und 11 eine weitere Ausführungsform einer Umgehungsdurchführung 38', die in dem Wärmetauscher 10 anstelle der Umgehungsdurchführung 38 verwendet werden kann. Die Umgehungsdurchführung 38' ist in Bezug auf den Aufbau und den Betrieb gleich der Durchführung 38, außer der Unterschiede, die aus den Figuren und der folgenden Beschreibung offensichtlich werden. Bei der Durchführung 38' hat jede der Platten 54, 56 längliche, sich nach innen erstreckende Rippen 130, die in Längsrichtung entlang ihres zentralen, planaren Bereichs 58 ausgebildet sind. Jede der Rippen 130 erstreckt sich von einer Stelle, die von einer jeweiligen Einlass- oder Auslassöffnung 64 beabstandet ist, zu einer Stelle, die von dem flussbeschränkenden Bereich 100 beabstandet ist. Wie es in der 11 gezeigt ist, paaren sich die Rippen 130 von den entgegengesetzten Platten 54, 56, um dadurch den Umgehungsflusskanal 65 in dem ersten Flussdurchgang 104 und dem zweiten Flussdurchgang 106 in Längsrichtung in zwei Bereiche aufzuteilen.
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Die Vertiefungen können in der Umgehungsfluiddurchführung 38' anstelle von oder zusätzlich zu den Rippen 130 verwendet werden, wie es in den 12 bis 17 dargestellt ist. Die 12 und 13 zeigen eine Umgehungsplatte 77 mit hemisphärischen Vertiefungen 78. Die Vertiefungen 78 sind somit in der Draufsicht kreisförmig. Die 14 und 15 zeigen eine Umgehungsplatte 79 mit pyramidenartigen Vertiefungen 80, die in der Draufsicht dreieckförmig sind. Die 16 und 17 zeigen eine Umgehungsplatte 81 mit rechteckförmigen Vertiefungen 82 mit der langen Seite der Rechtecke in der Querrichtung und der kurzen Seite der Rechtecke in der Längsrichtung, aber die Vertiefungen 82 könnten anders ausgerichtet sein, wie beispielsweise unter einem Winkel, wenn es erwünscht ist. Tatsächlich könnten solche länglichen Vertiefungen 82 derart angesehen werden, dass sie eher Rippen als Vertiefungen sind. Bei der Ausführungsform der 12 bis 17 ist zu beachten, dass der flussbeschränkende Bereich 100 der Durchführungen 38' bei einem Bereich angeordnet sein kann, der ein anderer als die mittlere Stelle zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen 64 ist.
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Bei wenigstens einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der kalibrierte Umgehungsflussdurchgang 102 durch eine Struktur definiert sein, die eine andere als ein rohrförmiges Einfügestück 108 oder ein Verschmälern der Platten 54, 56 an den flussbeschränkenden Bereichen 100 ist. Diesbezüglich stellen die 19–20 eine weitere Ausführungsform einer Umgehungsdurchführung 38'' dar, die in dem Wärmetauscher 10 anstelle der Umgehungsdurchführung 38 oder 38' verwendet werden kann. Die Umgehungsdurchführung 38'' ist bezüglich des Aufbaus und des Betriebs gleich den Durchführungen 38, 38', außer der Unterschiede, die aus den Figuren und der folgenden Beschreibung offensichtlich werden. In der Umgehungsdurchführung 38'' sind die planaren, zentralen Bereiche 58 in dem Bereich des flussbeschränkenden Bereichs 100 nicht nach innen zugespitzt, sondern ist vielmehr ein U-förmiges, flussbeschränkendes Platteneinfügestück 160 in dem Flusskanal 65 an dem flussbeschränkenden Bereich 100 angeordnet. Das Platteneinfügestück 160 enthält einen zentralen, planaren Plattenbereich 162, von welchem sich beabstandete, entgegengesetzte Beine 164, 166 erstrecken. Der zentrale Plattenbereich 162 hat eine durch ihn ausgebildete zentrale Öffnung 168, die als der kalibrierte Umgehungsdurchgang 102 für den Umgehungskanal 65 fungiert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das U-förmige, flussbeschränkende Platteneinfügestück 160 aus nicht hartlötplattiertem Aluminium oder Stahl ausgebildet und ist vor Ort zwischen den hartlötplattierten Platten 54, 56 durch Hartlöten der Beine 166, 164 an den Platten 54, 56 befestigt. Wie es in den 20 und 21 gezeigt ist, kann der zentrale, planare Plattenbereich Seitenflansche 170 enthalten, um den Innenwänden der Platten 54, 56 zu entsprechen. Da der kalibrierte Umgehungsdurchgang 102, der durch die zentrale Platte 162 ausgebildet ist, eine kürzere Länge als die Länge L eines rohrförmigen Einfügestücks 108 haben wird, würde der Durchmesser des kalibrierten Umgehungsdurchgangs 102 kleiner als derjenige eines rohrförmigen Einfügestücks 108 sein müssen, um dasselbe Maß an Flussbeschränkung zu erreichen. Das Platteneinfügestück 160 könnte viele Konfigurationen annehmen, die andere als das sind, was gezeigt ist. Zusätzlich könnten die Rippen oder Vertiefungen, die in irgendeiner der 10–17 gezeigt sind, auch in der Umgehungsdurchführung 38'' verwendet werden.
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Es wird erkannt werden, dass verschiedene Modifikationen an den oben beschriebenen Strukturen durchgeführt werden können. Beispielsweise ist bei dem Wärmetauscher 10 die Umgehungsdurchführung an der Spitze benachbart zu der obersten Montageplatte 40 gezeigt. Jedoch könnte die Umgehungsdurchführung irgendwo in dem Kern oder Stapel von Plattenpaaren angeordnet sein. Die Umgehungsdurchführung 38, 38', 38'' ist derart beschrieben worden, dass sie allgemein rechteckförmig im Querschnitt ist. jedoch könnte sie andere Konfigurationen haben, wie beispielsweise kreisförmig.
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Die 22–25 stellen diagrammmäßige Beispiele unterschiedlicher möglicher Konfigurationen für den Wärmetauscher 10 dar. Die Wärmetauscher in den 22–25 sind in Bezug auf den Aufbau und den Betrieb gleich dem Wärmetauscher der 1, außer dass die Stellen von einem oder mehreren der Umgehungsfluiddurchführung 38 (oder der Fluiddurchführung 38' oder 38'') und des Fluideinlasses und -auslasses 44, 46 sich gegenüber der Struktur ändern, die in 1 gezeigt ist.
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Bei der Ausführungsform der 22 ist die Umgehungsfluiddurchführung 38 eher an dem untersten Ende des Wärmetauscherkerns 200, das entfernt von den Einlass- und Auslassanbauten 44, 46 ist, als an demselben Ende mit den Einlass- und Auslassanbauten 44, 46 angeordnet. Die Einlass- und Auslassöffnungen 64 (siehe 4) in der obersten Platte 54 der Umgehungsfluiddurchführung 38 kommunizieren jeweils mit den Einlass- und Auslassrohrverzweigungen 26 und 28 des Wärmetauscherkerns 12. Die Einlass- und Auslassöffnungen 64 in der untersten Platte 56 der Umgehungsfluiddurchführung 38 sind durch die unterste Platte 42 abgedichtet verschlossen. Bei der Ausführungsform der 22 kann Fluid, das in die Einlassrohrverzweigung 26 eintritt, den Wärmetauscherkern 200 umgehen und in die Auslassrohrverzweigung 28 eintreten, indem es durch die Umgehungsdurchführung 38 in Mengen läuft, die durch den Umgehungsflussbeschränkungsbereich 100 geregelt wird.
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Bei der Ausführungsform der 23 ist die Umgehungsfluiddurchführung 38 an dem obersten Ende des Wärmetauscherkerns 200 angeordnet, sind aber die Einlass- und Auslassanbauten 44, 46 an entgegengesetzten Endecken angeordnet. Die Einlass- und Auslassöffnungen 64 in der untersten Platte 56 der Umgehungsfluiddurchführung 38 kommunizieren jeweils mit den Einlass- und Auslassbohrverzweigungen 26 und 28 des Wärmetauscherkerns 12. Die Auslassöffnung 64 in der obersten Platte 54 der Umgehungsfluiddurchführung 38 ist abwesend oder abgedichtet verschlossen. Bei der Ausführungsform der 23 kann Fluid, das in den Einlassanbau 44 eintritt, den Wärmetauscherkern 200 umgehen und in die Auslassrohrverzweigung 28 eintreten, indem es in Mengen, die durch den Umgehungsflussbeschränkungsbereich 100 geregelt wird, durch die Umgehungsdurchführung 38 läuft. Die Konfiguration der 23 könnte auch so modifiziert werden, dass die Umgehungsdurchführung 38 an dem entgegengesetzten Ende des Kerns 200 (d. h. demselben Ende wie der Auslassanbau 46) ist.
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Bei der Ausführungsform der 24 ist die Umgehungsfluiddurchführung 38 an dem obersten Ende des Wärmetauscherkerns 200 angeordnet, sind aber die Einlass- und Auslassanbauten 44, 46 näher zu dem Zentrum des Wärmetauschers angeordnet, so dass die Umgehungsdurchführung 38 nicht nur als Umgehungsdurchführung fungiert, sondern auch als Kreuzungsdurchführung. Die Einlass- und Auslassöffnungen 64 in der untersten Platte 56 der Umgehungsfluiddurchführung 38 kommunizieren jeweils mit den Einlass- und Auslassrohrverzweigungen 26 und 28 des Wärmetauscherkerns 12. Die Einlass- und Auslassöffnungen 64 in der obersten Platte 54 der Umgehungsfluiddurchführung 38 kommunizieren jeweils mit den Einlass- und Auslassanbauten 44, 46, sind aber näher zusammen als die Öffnungen an der untersten Platte 56 angeordnet. Bei der Ausführungsform der 24 erfolgt der primäre Heißflusspfad für Fluid, das in den Einlassanbau 44 eintritt, durch den ersten Durchgang 104 der Durchführung 38 und in die Einlassrohrverzweigung 26 und dann durch den Wärmetauscherkern 200 und in die Auslassrohrverzweigung 28. Von der Auslassrohrverzweigung 28 fließt das Fluid in den durch die Durchführung 38 definierten zweiten Durchgang 106 und dann durch den Auslassanbau 46 nach außen.
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Somit fungieren der erste und der zweite Durchgang 104 und 106 mit niedrigem Flusswiderstand der Umgehungsdurchführung 38 in der 24 als primäre Heißflusspfade und insbesondere jeweils als Einlasskreuzungspfad und Auslasskreuzungspfad. Ein kalibrierter Umgehungsdurchgang zwischen dem (ersten) Einlassdurchgang 104 und dem (zweiten) Auslassdurchgang 106 ist durch den Umgehungsflussbeschränkungsbereich 100 zur Verfügung gestellt, der zwischen den Verbindungen der Durchführung 38 zu den Einlass- und Auslassanbauten 44, 46 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform der 24 kann Fluid, das in den Einlassanbau 44 eintritt, den Wärmetauscherkern 200 (und Durchführungsdurchgänge 104, 106) umgehen und in den Auslassanbau 46 eintreten, indem es durch den Umgehungsflussbeschränkungsbereich 100 läuft.
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Bei der Ausführungsform der 25 sind die Einlass- und Auslassanbauten 44, 46 jeweils auf derselben Seite des Wärmetauscherkerns 200 angeordnet. Eine Kreuzungsdurchführung 202 stellt einen Flusspfad zwischen dem Einlassanbau 44 und der Einlassrohrverzweigung 26 zur Verfügung. Die Umgehungsdurchführung 38 stellt einen kalibrierten Umgehungspfad durch den Beschränkungsbereich 100 zwischen der Einlassrohrverzweigung 26 und der Auslassrohrverzweigung 28 zur Verfügung. Die Kreuzungsdurchführung 202 kann alternativ dazu an dem entgegengesetzten Ende des Kerns 200 angeordnet sein.
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Es wird auch erkannt werden, dass der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung bei Anwendungen verwendet werden kann, die andere als eine Kühlung von Kraftfahrzeugöl sind. Der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung kann bei irgendeiner Anwendung verwendet werden, bei welcher irgendein Kaltfluss-Umgehungsfluss erwünscht ist.
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Wie es Fachleuten auf dem Gebiet angesichts der vorangehenden Offenbarung klar werden wird, sind der Ausführung dieser Erfindung viele Abänderungen und Modifikationen bei möglich, ohne von dem Sinngehalt und Schutzumfang davon abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Kalibrierte Umgehungsstruktur für einen Wärmetauscher
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Es wird eine Umgehungsdurchführung für einen Wärmetauscher mit gestapelten Platten zur Verfügung gestellt. Die Umgehungsdurchführung weist erste und zweite Plattenelemente auf, die jeweils einen im Wesentlichen planaren, zentralen Bereich aufweisen, der durch einen versetzten, peripheren Flansch umgeben ist, wobei die peripheren Flansche der ersten und zweiten Platten abgedichtet miteinander verbunden sind und die planaren, zentralen Bereiche der ersten und zweiten Platten in beabstandeter Gegenüberstellung sind, um einen Umgehungskanal zu definieren. Eine flussbeschränkende Struktur stellt eine fluidbeschränkende Barriere in dem Umgehungskanal zur Verfügung, wobei die flussbeschränkende Struktur einen kalibrierten Umgehungsdurchgang definiert, der den Fluss von Fluid durch den Umgehungskanal regelt.
