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QUERVERWEIS AUF BEZOGENE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/918188, die am 19. Dezember 2013 eingereicht wurde und deren Inhalt hier einbezogen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die Beschreibung bezieht sich allgemein auf Wärmetauscher mit einem konusförmigen Kern.
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HINTERGRUND
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Gas/Flüssigkeit- und Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher haben zahlreiche Anwendungen. Beispielsweise können in Fahrzeugen Gas/Flüssigkeit-Wärmetauscher verwendet werden, um komprimierte Ladeluft in Verbrennungsmaschinen mit Turbolader oder in Brennstoffzellenmaschinen zu kühlen. Gas/Flüssigkeit-Wärmetauscher können auch verwendet werden, um heiße Maschinenabgase zu kühlen. Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher können ebenfalls für Kühlanwendungen bei Getriebeöl oder Motorenöl eingesetzt werden.
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Verschiedene Konstruktionen von Gas/Flüssigkeit- oder Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauschern sind bekannt. Beispielsweise ist bekannt, Wärmetauscher zu gestalten, die aus zwei oder mehr konzentrischen Rohren bestehen, wobei die ringförmigen Räume zwischen benachbarten Rohren als Fluidströmungsdurchgänge dienen. Gewellte Rippen sind typischerweise in den Strömungsdurchgängen angeordnet, um die Wärmeübertragung zu erhöhen und in einigen Fällen die Rohrschichten miteinander zu verbinden. Es ist auch bekannt, Wärmetauscher zu gestalten, die einen aus Stapeln von rohrförmigen Teilen oder Platten oder Plattenpaaren gebildeten Kern aufweisen, die abwechselnde Fluidströmungsdurchgänge (z. B. Gas/Flüssigkeit oder Flüssigkeit/Flüssigkeit) für die Wärmeübertragung zwischen zwei verschiedenen Fluiden, die durch die abwechselnden Durchgänge strömen, zur Verfügung stellen. In Fällen, in denen der Wärmetauscher als ein Mehrpfad-Wärmetauscher gebildet ist, wird das durch die Fluidströmungsdurchgänge strömende Fluid durch 90-Grad-Abbiegungen zurückgeleitet, um durch die verschiedenen Stufen oder Pfade des Wärmetauschers hindurchzugehen.
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Jede spezifische Anwendung, sei es eine Gas/Flüssigkeit- oder Flüssigkeit/Flüssigkeit-Anwendung, hat ihre eigenen Wärmetauscheranforderungen sowie Raumbeschränkungen und/oder Verpackungsanforderungen. Es wurde gefunden, dass das Vorsehen eines konusförmigen Wärmetauschers für bestimmte Anwendung gewünschten Wärmeaustauschanforderungen genügen sowie bestimmte Raum-/Verpackungsbeschränkungen erzielen kann.
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KURZFASSUNG DER VORLIEGENDEN OFFENBARUNG
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, welcher aufweist: einen Wärmetauscherkern, der mehrere abwechselnd gestapelte konusförmige Kernplatten aufweist, die einen ersten Satz von Strömungsdurchgängen zwischen benachbarten Platten in einem Plattenpaar und einen zweiten Satz von Strömungsdurchgängen zwischen benachbarten Plattenpaaren, die den Wärmetauscherkern bilden, definieren, wobei sich die ersten und zweiten Strömungsdurchgänge durch den Wärmetauscherkern hindurch abwechseln; ein Paar von ersten Einlassverteilern in Fluidverbindung mit dem zweiten Satz von Strömungsdurchgängen, wobei das Paar von Einlassverteilern im Allgemeinen einander entgegengesetzt an dem Umfang des Wärmetauscherkerns angeordnet sind; einen ersten Auslassverteiler in Fluidverbindung mit dem zweiten Satz von Strömungsdurchgängen, wobei der Auslassverteiler in der Mitte durch den Wärmetauscherkern gebildet ist; einen zweiten Einlassverteiler in Fluidverbindung mit den ersten Strömungsdurchgängen, welcher zweite Einlassverteiler innerhalb des Umfangs des Wärmetauscherkerns gebildet ist; einen zweiten Auslassverteiler in Fluidverbindung mit den ersten Strömungsdurchgängen, welcher zweite Auslassverteiler innerhalb des Umfangs des Wärmetauscherkerns gebildet ist; wobei eine Strömung durch den ersten Satz von Strömungsdurchgängen in Umfangsrichtung um den Umfang von Kernplatten, die die Plattenpaare bilden, herum erfolgt und eine Strömung durch den zweiten Satz von Strömungsdurchgängen entlang des Winkels, der durch die konisch geformten Kernplatten zwischen den Plattenpaaren definiert ist, erfolgt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung zeigen und in denen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
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1A eine perspektivische Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
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2 eine Vorderansicht des Wärmetauschers nach 1 ist;
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3 eine Seitenansicht des Wärmetauschers nach 1 ist;
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4 eine Draufsicht auf den in 2 gezeigten Wärmetauscher ist;
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5 eine Ansicht des in 2 gezeigten Wärmetauschers von unten ist;
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6 ein Längsschnitt entlang der Linie 6-6 in 4 ist;
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7 ein Längsschnitt entlang der Linie 7-7 in 4 ist;
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8 eine Detailansicht des in 6 eingekreisten Bereichs 8 ist;
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9 eine Detailansicht des in 7 eingekreisten Bereichs 9 ist;
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10 eine Vorderansicht einer der Kernplatten ist, die den Wärmetauscher aus 1 bilden;
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11 eine rechte Seitenansicht der Kernplatte aus 10 ist;
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12 eine Vorderansicht der anderen Kernplatte, die den Wärmetauscher aus 1 bildet, ist;
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13 eine rechte Seitenansicht der Kernplatte aus 12 ist;
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14 eine perspektivische Ansicht einer Wärmeübertragungs-Verstärkungsvorrichtung, die in dem Wärmetauscher aus 1 verwendet werden kann, ist;
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15 eine Teilschnittansicht eines Bereichs des Wärmetauschers aus 1A ist;
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16 eine Draufsicht auf den Wärmetauscher aus 15 ist, wobei die obere Endplatte entfernt ist;
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17 eine Teilschnittansicht eines Bereichs des Wärmetauschers aus 1A gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
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18 eine Teilschnittansicht eines Bereichs des Wärmetauschers aus 17 mit einer Schnittansicht um 90 Grad mit Bezug auf die in 17 illustrierte Ansicht ist;
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19 eine Draufsicht auf den Wärmetauscher aus 17 ist, wobei die obere Endplatte entfernt ist;
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20A und 20B den gesamten Druckabfall durch den Wärmetauscherkern der in den 15 bzw. 17 gezeigten Wärmetauscher illustrieren;
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21A und 21B die Strömungsgeschwindigkeit durch den Wärmetauscherkern der in den 15 bzw. 17 gezeigten Wärmetauscher illustrieren;
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22 eine schematische Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
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23 eine detaillierte schematische Querschnittsansicht eines Bereichs des in 22 gezeigten Wärmetauscher ist;
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24 eine schematische Schnittansicht eines Bereichs eines Wärmetauschers gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist, die eine in dem Wärmetauscher enthaltene Bypassfunktion illustriert;
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25 eine perspektivische Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist; und
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26 eine perspektivische Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist.
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Gleiche Bezugszahlen können in verschiedenen Figuren verwendet werden, um gleiche Komponenten zu kennzeichnen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Es wird nun im Einzelnen Bezug auf beispielhafte Implementierungen der Technologie genommen. Die Ausführungsbeispiele werden nur zur Erläuterung der Technologie bereitgestellt und nicht als Beschränkung der Technologie. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in der vorliegenden Technologie vorgenommen werden können. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Technologie solche Modifikationen und Variationen abdeckt, die sich innerhalb des Bereichs der vorliegenden Technologie befinden.
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Ein Wärmetauscher 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird nun nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 21 beschrieben.
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Der Wärmetauscher 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann als ein Ladeluftkühler (charge-air-cooler, CAC) in einem Automobil oder Motorfahrzeug verwendet werden. Demgemäß enthält der Wärmetauscher 10 Einlässe, Auslässe und Strömungsdurchgänge für Luft und für ein flüssiges Kältemittel, wie beispielsweise Wasser. Jedoch ist darauf hinzuweisen, dass nicht beabsichtigt ist, dass der Wärmetauscher 10 auf eine derartige Anwendung (z. B. einen CAC) beschränkt ist, und jede Bezugnahme auf den Wärmetauscher 10 als einen Ladeluftkühler ist als beispielhaft beabsichtigt. Zum Beispiel werden weitere Ausführungsbeispiele des Wärmetauschers 10 in Verbindung mit der Kühlung von Getriebeöl oder Motoröl beschrieben, in welchem Fall der Wärmetauscher ein Flüssigkeit/Flüssigkeit-Wärmetauscher sein kann. Der Wärmetauscher 10 kann auch für Wassergekühlte-Ladeluftkühler(water-cooled charge-air-cooler, WCAC)-Anwendungen sowie Abgas-Wärmewiedergewinnungs(EGHR)-Anwendungen ausgebildet sein.
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Gemäß den 1 und 1A hat der Wärmetauscher 10 einen Kern 12, der mehrere konisch geformte Kernplatten 14, 16 aufweist, die abwechselnd in zueinander geschachtelter Beziehung unter Bildung von Plattenpaaren 17 gestapelt sind, wobei mehrere Plattenpaare 17 miteinander gestapelt sind, um den Wärmetauscherkern 12 zu bilden. Eine Endplatte 18 dichtet ein erstes Ende des Wärmetauscherkerns 12 ab oder umschließt diesen und definiert eine Fluidöffnung 20, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Einlassöffnung für den Empfang eines ersten Fluids ist, wie von Luft, wenn der Wärmetauscher 10 beispielsweise die Form eines Ladeluftkühlers (CAC) hat. Eine Endplatte 19, die die Form von einer der Kernplatten 14 haben kann, ist an dem entgegengesetzten Ende des Wärmetauschers 10 angeordnet und umschließt das zweite Ende des Wärmetauscherkerns 12. Eine Fluidöffnung 22, die in diesem Ausführungsbeispiel als eine Auslassöffnung 22 dient, hat die Form einer Fluidarmatur und ist an dem entgegengesetzten Ende des Wärmetauschers 10 für die Ausgabe des ersten Fluids (zum Beispiel Luft, wenn es sich um einen CAC handelt) aus diesem angeordnet. Während Bezug auf die in der Endplatte 18 gebildete Einlassöffnung 20 und auf die in der Endplatte 19 angeordnete Auslassöffnung 22 an dem entgegengesetzten Ende des Wärmetauschers 10 genommen wurde, ist darauf hinzuweisen, dass der Ort der Einlass- und der Auslassöffnung 20, 22 nur beispielhaft ist und dass bei einigen Anwendungen die in der Endplatte 19 angeordnete Fluidöffnung 22 als eine Einlassöffnung dienen kann, während Fluidöffnung 20 in der Endplatte 18 als eine Auslassöffnung dienen kann, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung des Wärmetauschers 10.
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Der Wärmetauscher 10 enthält auch einen zweiten Fluideinlass 24 zum Hereinlassen eines zweiten Fluids, wie Wasser oder jedes anderen geeigneten flüssigen Kältemittels, in den Wärmetauscher 10 und einen zweiten Fluidauslass 26 zum Ausgeben des zweiten Fluids aus diesem. Der zweite Fluideinlass und -auslass 24, 26 sind in der Nähe des zweiten Endes des Wärmetauschers 10 angeordnet und sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Allgemeinen benachbart zueinander angeordnet, so dass die Strömung durch die durch die gepaarten Kernplatten 14, 16 gebildeten Fluidkanäle in einem Gegenstromlayout oder -anordnung geschieht. Jedoch ist darauf hinzuweisen, dass in anderen Ausführungsbeispielen der zweite Fluideinlass und -auslass 24, 26 einen gegenseitigen Abstand in Umfangsrichtung haben können oder allgemein entgegengesetzt zueinander angeordnet sein können, abhängig von der jeweiligen Anwendung und/oder geforderten Orten der Fluidarmaturen 24, 26.
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In dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscherkern 12 selbstumschließend, was bedeutet, dass der Fluideinlass- und -auslassverteiler und die Fluidströmungsdurchgänge vollständig innerhalb des Stapels von konisch geformten Plattenpaaren 17, die aus den gepaarten Kernplatten 14, 16 gebildet sind, eingeschlossen sind. Demgemäß erfordert in dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher 10 kein äußeres Gehäuse, das den Stapel von Plattenpaaren 17 umschließt.
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Wie illustriert ist, besteht der Wärmetauscherkern 12 aus Plattenpaaren 17, die jeweils aus gepaarten Kernplatten 14, 16 bestehen, die jeweils eine im Allgemeinen konisch geformte Seitenwand 28 haben, die im Allgemeinen konisch zwischen einem ersten, offenen Ende 30 und einem zweiten, kleineren offenen Ende 32 verläuft, wie beispielsweise in den 10-13 gezeigt ist. Ein sich aufwärts erstreckender Flansch 34 umgibt das erste, offene Ende 30 der Kernplatten 14, 16, wobei das zweite, offene Ende 32 durch einen Umfangsflansch 36 definiert ist, der sich im Allgemeinen parallel zu dem Winkel der konischen Seitenwand 28 erstreckt.
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The im Allgemeinen konisch geformte Seitenwand 28 der Kernplatten 14, 16 ist jeweils so geformt oder konturiert, dass, wenn die Kernplatten 14, 16 abwechselnd unter Bildung der Plattenpaare 17 gestapelt sind, sie jeweils einen zentralen Bereich 29 haben, der sich im Abstand von der benachbarten Platte 14, 16 befindet, wodurch ein Satz von inneren Strömungsdurchgängen 40 zwischen den im gegenseitigen Abstand angeordneten Bereichen 29 der Platten 14, 16 gebildet wird, wenn die Platten 14, 16 in ihrer gepaarten Beziehung angeordnet sind. Ein anderer Satz von Strömungsdurchgängen 42 ist zwischen benachbarten Sätzen der gepaarten Kernplatten 14, 16 oder Plattenpaare 17 gebildet. In dem Fall eines Ladeluftkühlers sind Strömungsdurchgänge 42 ”luftseitige” Strömungsdurchgänge, während Strömungsdurchgänge 40 ”Flüssigkeits”- oder ”Kältemittel”-Strömungsdurchgänge sind.
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Jede Platte 14, 16 ist mit einem Paar von Wulsten oder Wulstbereichen 43, 44 gebildet, die aus der Oberfläche des zentralen Bereichs 29 der Platten 14, 16 heraus erhoben sind. Wie in 1A gezeigt ist, sind die in den Kernplatten 14 gebildeten Wulstbereiche 43, 44 den Wulstbereichen 43, 44, die in den gepaarten Kernplatten 16 gebildet sind, gegenüber angeordnet (siehe beispielsweise 11–13). Daher werden, wenn die Kernplatten 14, 16 abwechselnd miteinander gestapelt werden, um Plattenpaare 17 zu bilden, die Wulstbereiche 43, 44 auf den Kernplatten 14 eines Plattenpaars 17 mit den entsprechenden Wulstbereichen 43, 44 auf den benachbarten Kernplatten 16 des angrenzenden Plattenpaars 17 ausgerichtet und gepaart, wodurch ein gegenseitiger Abstand zwischen den Sätzen von Kernplatten 14, 16 oder Plattenpaaren 17 besteht, der den zweiten Satz von Strömungsdurchgängen 42 zwischen diesen bildet.
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Gemäß den 10–13 sind Fluidöffnungen 46, 48 in jeweiligen Wulstbereichen 43, 44 jeder der Kernplatten 14, 16 gebildet. Jeder Wulstbereich 43, 44 enthält eine flache Oberfläche 45, die jede der Fluidöffnungen 46, 48 umgibt und die als eine Abdichtfläche dient, an der die Wulstbereiche 43, 44 von einer Kernplatte 14, 16 anliegen und die gegen den entsprechenden Wulstbereich 43, 44 der benachbarten Kernplatte 14, 16 abdichtet. Demgemäß bilden, wenn die Kernplatten 14, 16 abwechselnd aufeinandergestapelt sind, die ausgerichteten Fluidöffnungen 46, 48 jeweilige Einlass- und Auslassverteiler (schematisch identifiziert durch Strömungspfeile 47, 49 in 1A) innerhalb des Wärmetauscherkerns 12, welche Verteiler in Fluidverbindung mit dem ersten Satz von Strömungsdurchgängen 40 sind, wobei der Fluideinlass 24 und der Fluidauslass 26 in Fluidverbindung mit den Verteilern 47, 49 sind.
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Die Kernplatten 14, 16 weisen auch eine Fluidbarriere 50 auf, die in der Kontur der im Allgemeinen zentralen Bereiche 29 der Kernplatten 14, 16 gebildet ist. Die Fluidbarriere 50 ist so gebildet, dass ein erster Bereich zwischen dem Paar von Wulstbereichen 43, 44 angeordnet ist, wobei die Fluidbarriere 50 sich zwischen dem Paar von Wulstbereichen 43, 44 und um einen Bereich des zentralen Abschnitts des zentralen Bereichs 29 der Kernplatten 14, 16 herum erstreckt. Die auf den Kernplatten 14 gebildete Fluidbarriere 50 ist gegenüberliegend der auf den benachbarten Kernplatten 16 gebildeten Fluidbarriere 50 angeordnet, so dass, wenn die Kernplatten 14, 16 abwechselnd übereinander gestapelt sind, die Fluidbarrieren 50 auf Kernplatten 14 mit den auf den benachbarten Kernplatten 16 gebildeten Fluidbarrieren 50 ausgerichtet und abdichtend gepaart sind, wodurch die Einlassströmung durch den Einlass 24 von der Auslassströmung 26 wirksam getrennt wird und ein U-förmiger oder Zweipfad-Fluidkanal in den Strömungsdurchgängen 40 geschaffen wird. Demgemäß tritt Fluid (beispielsweise Wasser oder ein anderes geeignetes flüssiges Kältemittel) durch den Fluideinlass 24 in den Wärmetauscher 10 ein und wird durch eine erste Abzweigung 40(1) der Strömungskanäle 40 verteilt, wobei sich die erste Abzweigung 40(1) um einen oberen Bereich des Plattenpaars 17 erstreckt. Das Fluid geht dann durch die U-förmige Biegung 51 hindurch, bevor es durch die zweite Abzweigung 40(2) der Strömungsdurchgänge 40 strömt, wobei die erste Abzweigung 40(1) von der zweiten Abzweigung 40(2) mittels der Fluidbarriere 50 getrennt ist, bevor es durch den Auslassverteiler 49 und den Fluidauslass 26 aus dem Wärmetauscher 10 ausgegeben wird (siehe beispielsweise 11–13).
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Ein zweites Paar von Fluidöffnungen 54, 56 ist in jeder der Kernplatten 14, 16 gebildet, wobei die Fluidöffnungen 54, 56 in Umfangsrichtung einen gegenseitigen Abstand aufweisen, angenähert 180 Grad, so dass sie im Allgemeinen einander gegenüberliegend in der Seitenwand 18 der Kernplatten angeordnet sind. Fluidöffnungen 54, 56 sind auch mit Bezug auf Fluidöffnungen 46, 48, die Verteiler 47, 49 bilden, versetzt. Die Fluidöffnungen 54, 56 sind im Allgemeinen länglich und können angenähert 50% bis 75% des Umfangs des Wärmetauschers 10 belegen. Die Fluidöffnungen 54, 56 in den Kernplatten 14 sind mit den Fluidöffnungen 54, 56 in den benachbarten Kernplatten 16 ausgerichtet, wobei die ausgerichteten Fluidöffnungen 54, 56 eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Satz von Strömungsdurchgängen 42 und dem Fluideinlass 20 und dem Fluidauslass 22 des Wärmetauschers 10 schaffen. Demgemäß tritt Fluid (in dem Fall eines CAC beispielsweise Luft) durch den Fluideinlass 20 in den Wärmetauscher 10 ein und wird durch den zweiten Satz von Strömungsdurchgängen 42 mittels der ausgerichteten Fluidöffnung 54, 56 an dem äußeren Umfang des Kerns 12 verteilt und wird durch Strömungsdurchgänge 42 zu dem zentralen Auslassverteiler hin zusammengeführt, wie durch den Strömungspfeil 21 (gezeigt in 1A) illustriert ist, und wird durch den Fluidauslass 22 aus dem Wärmetauscher 10 ausgegeben. Demgemäß bilden die ausgerichteten Fluidöffnungen 54, 56 einen geteilten Einlassverteiler (durch Strömungspfeile 57 illustriert) zum Verteilen hereinkommender Luft durch Strömungskanäle 42, wobei das hereinkommende Fluid zu der Mitte des Wärmetauschers 10 aufgrund der konischen Form der Kernplatten 14, 16 ”zusammengeführt” wird, bevor das Fluid durch den zentralen Auslassverteiler 21, der durch die ausgerichteten zentralen, kleineren zweiten offenen Enden 32 des Wärmetauschers 10 gebildet wird, und den Fluidauslass 22 ausgegeben wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen, bei denen der Ort des Fluideinlasses 20 und des Fluidauslasses 22 umgekehrt sind, tritt das Fluid in das untere oder kleinere Ende des Wärmetauschers 10 ein und wird zu jedem der Strömungsdurchgänge 42 über den zentralen Verteiler 21 verteilt, bevor es durch die geteilten Verteileröffnungen 54, 56 aus dem Wärmetauscher 10 austritt, so dass das Fluid daher von dem zentralen Verteiler 21 zu den Öffnungen 54, 56 nach außen divergiert, bevor es durch die Fluidöffnung 20 aus dem Wärmetauscher 10 herausgeleitet wird.
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Obgleich dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, können einige oder sämtliche von dem ersten und dem zweiten Satz von Strömungsdurchgängen 40, 42 in dem Kern 12 mit einer Wärmeübertragungs-Verstärkungsvorrichtung 60, wie einer gewellten Rippe oder einem Turbulizer, versehen sein, die an den Kernplatten 14, 16 durch Hartlöten befestigt sein kann. Ein Ausführungsbeispiel für eine luftseitige Wärmeübertragungs-Verstärkungsvorrichtung 60 ist in 14 gezeigt. Wie gezeigt ist, hat die luftseitige Turbulenzverstärkungsvorrichtung 60 die Form einer gewellten Rippe mit einer im Allgemeinen konischen Form mit einer Vielzahl von Graten oder Kämmen 62, die durch Seitenwände 64 verbunden sind, wobei sich die Grate oder Kämme 62 in Längsrichtung entlang einer Achse erstrecken, die parallel zu der Achse verläuft, die durch die abgewinkelten Seitenwände 28 der konisch geformten Kernplatten 14, 16 definiert ist, wobei die Grate 62 gerundet oder flach und im Allgemeinen in Kontakt mit den die Kernplatten 14, 16 bildenden Seitenwänden 28 sind, wenn die aus den Platten 14, 16 bestehenden Plattenpaare 17 übereinandergestapelt sind, wobei die Wärmeübertragungs-Verstärkungsvorrichtung 16 in Strömungsdurchgänge 42 zwischen den benachbarten Plattenpaaren 17 eingeführt ist. Die Grate 62 und die diese verbindenden Seitenwände 64 bilden längliche Öffnungen oder Durchgänge 66 zwischen sich, die sich von einem Ende der Wärmeübertragungs-Verstärkungsvorrichtung 60 zu dem entgegengesetzten Ende von dieser erstrecken. Wenn die Wärmeübertragungs-Verstärkungsvorrichtung 60 die Form einer gewellten Rippe hat, ist sie so angeordnet, dass die Öffnungen im Allgemeinen in-line mit der durch die Fluidöffnungen 54, 56 hereinkommenden Strömung sind. Die im Allgemeinen konische Form der luftseitigen Turbulenzverstärkungsvorrichtung 60 führt dazu, dass die Rillen oder Grate 62 an dem ersten offenen Ende im Allgemeinen einen ersten, größeren gegenseitigen Abstand 65 aufweisen, der sich allmählich zu dem kleineren, zweiten Ende der Turbulenzverstärkungsvorrichtung 60 verringert, an dem die Grate 62 nur einen zweiten, kleineren gegenseitigen Abstand 67 aufweisen. Demgemäß konvergieren die offenen Durchgänge 66, die zwischen den Graten oder Kämmen 62 gebildet sind, zu dem zweiten, kleineren Ende hin, was im Allgemeinen die Wirkung einer Beschleunigung der Luftströmung durch diese Bereiche von dem Einlassende 20 zu dem Auslassende 22 des Kerns 12 hat.
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In dem in 1A illustrierten Ausführungsbeispiel weist der Wärmetauscher 12 eine oberste Wärmetauscherplatte 15 auf, die auch eine konisch geformte Platte ist, die in der Struktur ähnlich den Wärmetauscherplatten 14, 16 ist. Jedoch sieht die oberste Wärmetauscherplatte 15, anstatt ein kleineres offenes Ende 32 wie in den Wärmetauscherplatten 14, 16 zu definieren, nicht eine zentrale Öffnung vor und hat stattdessen eine geschlossene Unterseite, die dazu dient, den zentralen Verteilerdurchgang, der durch die ausgerichteten offenen Enden 32 der den Wärmetauscherkern 12 bildenden Plattenpaare 17 gebildet wird, abzudichten. Um eine ordnungsgemäße Verteilung des durch den Einlass 20 in den Wärmetauscher 10 eintretenden Fluids zu den Strömungsdurchgängen 42 hin zu gewährleisten und um zu verhindern, dass durch den Einlass 20 in den Wärmetauscher 10 eintretendes Fluid einfach gegen die geschlossene Unterseite der obersten Wärmetauscherplatte 15 aufprallt und/oder sich an dieser staut oder gänzlich die Strömungsdurchgänge 42 umgeht und direkt durch den Fluidauslass 22 aus dem Wärmetauscher austritt, wenn eine geschlossene oberste Wärmetauscherplatte 15 nicht vorgesehen ist, ist eine Diffusorplatte 70 auf der obersten Kernplatte 15 in dem den Wärmetauscherkern 12 bildenden Stapel angeordnet. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Diffusorplatte 70 ist in den 1A, 1B und 15–16 gezeigt. Wie gezeigt ist, hat die Diffusorplatte 70(1) des gegenwärtigen Ausführungsbeispiels die Form eines invertierten Kegels mit einem Umfangsflansch 72, der sich aufwärts von dem zentralen Bereich mit invertierter Kegelform weg unter einem Winkel entsprechend dem Winkel des Seitenwandbereichs 28 der Kernplatten 14, 16 so erstreckt, dass der Umfangsflansch 72 an einem Bereich der Seitenwand 28 anliegt und gegenüber diesem abdichtet, wobei ein zentraler innerer Raum oder Hohlraum 73 zwischen der Diffusorplatte 70(1) und der obersten Wärmetauscherplatte 15 effektiv abgedichtet oder umschlossen ist. Die äußere Oberfläche der Diffusorplatte 70(1) dient zum Leiten von von dem Einlass 20 aus eintretendem Fluid zu Fluidöffnungen 54, 56, die Verteilerbereiche 57 bilden, hin.
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In den 17–19 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Diffusorplatte 70 gezeigt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Diffusorplatte 70(2) einen sich abwärts oder nach innen erstreckenden Umfangsflansch 72. Die obere Oberfläche der Diffusorplatte 70(2) ist geformt und/oder konturiert, um die eintretende Strömung von den ”blockierten” Strömungsbereichen und zu den Fluidöffnungen 54, 56 hin umzuleiten, die in-line oder assoziiert sind mit den ersten Fluidverteilern oder Kopfbereichen, um die eintreffende Strömung zu dem Verteiler 57 oder den Fluidöffnungen 54, 56 zu befördern. Demgemäß hat bei diesem Ausführungsbeispiel die Diffusorplatte 70(2) eine obere Oberfläche mit zwei entgegengesetzt angeordneten, abwärts geneigten Bereichen 76, die dazu dienen, die eintreffende Strömung durch den Einlass 20 zu Fluidöffnungen 54, 56 zu leiten, die die Einlasskopfbereiche oder Verteiler 57 für die eintreffende Strömung definieren, und zwei entgegengesetzt angeordnete erhabene oder vorstehende Bereiche 78, die dazu dienen, das Umlenken der eintreffenden Strömung zu den geschlossenen Bereichen der obersten Kernplatte 15 hin zu blockieren. Die Gesamtgröße der Diffusorplatte 70(2) ist derart, dass sie im Wesentlichen den offenen inneren Raum füllt oder umschließt, der andernfalls zwischen der Endplatte 18 und der obersten Kernplatte 15 so gebildet wird, dass das eintreffende Fluid direkt zu den Fluidöffnungen 54, 56 hin kanalisiert wird. Es wurde gefunden, dass die Form der Diffusorplatte 70(2) die Anzahl von Winkeln oder Biegungen verringert, die die durch den Einlass 20 eintreffende Strömung zum Navigieren benötigt, wodurch der Druckabfall, der typischerweise in einigen herkömmlichen oder bekannten Wärmetauschern oder Ladeluftkühlern erfahren wird, verringert wird. Die Bildung eines umschlossenen, inneren Hohlraums 73 zwischen der Diffusorplatte 70(1), 70(2) und der obersten Kernplatte 15 ist auch nützlich in Situationen, in denen eine zusätzliche Funktionalität in dem Wärmetauscher 10 enthalten sein kann, indem zusätzliche Komponenten in den inneren Hohlraum 73 aufgenommen werden oder indem dieser Raum 73 auf andere Weise verwendet wird, ohne dass die Gesamtgröße oder der Grundriss des Wärmetauschers 10 vergrößert werden muss. In Ausführungsbeispielen, bei denen die Orte des Einlasses und des Auslasses 20, 22 umgekehrt sind, wobei die Strömung durch das kleinere Ende des Wärmetauschers durch die Fluidöffnung 22 in den Wärmetauscher eintritt und durch die Fluidöffnung 20 aus dem Wärmetauscher 10 austritt, hat die Diffusorplatte 70(1), 70(2) dieselbe Funktion dahingehend, dass sie hilft, die Strömung von den Fluidöffnungen 54, 56 zu der Auslassöffnung 20 zu leiten.
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Die 20 und 21 illustrieren die Ergebnisse der Strömungsgeschwindigkeit und der Druckanalyse bei einem Wärmetauscher 10, der jeden Typ von Diffusorplatte 70(1), 70(2) verwendet. Wie durch die Testdaten der 20A und 21A illustriert ist, hat die Diffusorplatte 70(1) die Tendenz, einen höheren Druckabfall durch den Wärmetauscher 10 für Fluid zu zeigen, das durch den Einlass 20 in den Wärmetauscher 10 eintritt, dadurch, dass die Strömung die steilere Aufwärtsneigung, die an dem Übergang der Diffusorplatte 70(1) und der oberen Kernplatte 14 gebildet ist, zu überwinden hat, was eine Strömungstrennung sowie Rezirkulationszonen in dem Fluid bewirkt, bevor das Fluid durch die Fluidöffnungen 54, 56 und die entsprechenden Fluidkanäle 42 in die Verteilerbereiche 57 eintritt. Wie durch die Testdaten der 20B und 21B illustriert ist, liefert die Diffusorplatte 70(2) eine verbesserte oder gleichmäßigere Strömungsgeschwindigkeit durch den Wärmetauscher 10, der den Druckabfall durch den Kern 12 verbessert und die Rezirkulationszonen an dem Einlass verringert, was auch den Druckabfall und hierdurch das Gesamtwärmeübertragungsvermögen verbessert.
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24 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 10. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann es manchmal nützlich sein, anstatt eine Diffusorplatte 70 zu haben, die an dem Einlassende des Wärmetauschers 10 angeordnet ist, um die eintreffende Strömung zu Fluideinlassöffnungen 54, 56 zu leiten, einen Ventilmechanismus 92 vorzusehen, der innerhalb des zentralen Fluiddurchgangs 21 an dem Einlassende des Wärmetauschers 10 angeordnet ist, um die Strömung durch den Wärmetauscher 10 zu steuern. Genauer gesagt, der Ventilmechanismus 92, der die Form eines Klappenventils mit einer Ventilscheibe oder Ventilklappe hat, kann in der obersten Öffnung 32 angeordnet sein, die durch die Flanschenden 36 des obersten Plattenpaars 17 definiert ist, wobei der Ventilmechanismus 92 eine erste, geschlossene Position hat, in der die Ventilscheibe oder -klappe den zentralen Fluiddurchgang 21 abdeckt oder blockiert, wodurch effektiv verhindert wird, dass Fluid durch den Einlass 20 in den Wärmetauscher 10 eintritt, aufgrund des erhöhten Fluidwiderstands, der durch den geschlossenen Ventilmechanismus 92 geschaffen wird, und eine zweite, offene Position hat, in der die in-line mit der zentralen Achse des Wärmetauschers 10 angeordnete Klappe ermöglicht, dass Fluid frei durch den Wärmetauscher 10 hindurchgeht. Der Ventilmechanismus 92 kann durch ein Steuersystem elektronisch gesteuert werden oder kann ein mechanisches Ventil sein, das auf der Grundlage von Temperatur, Druck usw. betätigt wird, um eine Betriebsbedingung zu schaffen, in der auf der Grundlage unterschiedlicher Betriebsbedingungen Fluid um den Wärmetauscher 10 herum und anderswohin in dem Gesamtsystem oder zu dem Wärmetauscher 10 zum Erwärmen/Kühlen geleitet wird. Demgemäß kann durch Einfügen des Ventilmechanismus 92 in den zentralen Strömungsdurchgang 21 des Wärmetauschers 10 der Wärmetauscher 10 für einen Betrieb innerhalb verschiedener Systeme angepasst werden, und er kann spezifisch auf verschiedene Betriebsbedingungen abgestimmt werden. Während die Verwendung eines Ventilmechanismus 92 primär mit dem Ventilmechanismus 92 beschrieben wurde, der innerhalb des zentralen Strömungsdurchgangs 21 angeordnet ist, der durch offene Kanten 36 der Wärmetauscherplatten 14, 16 in der Nähe des Fluideinlasses 20 definiert ist, ist darauf hinzuweisen, dass der Ventilmechanismus 22 auch an dem entgegengesetzten Ende des Wärmetauschers 10 in solchen Fällen, in denen der Fluidauslass und -auslass 20, 21 umgekehrt sind, eingefügt sein kann.
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Die 25 und 26 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 10 nach der vorliegenden Offenbarung. Abhängig von der besonderen Anwendung des Wärmetauschers 10 kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, eines der eintreffenden Fluide vorzuwärmen, insbesondere wenn der Wärmetauscher 10 unter Kaltstartbedingungen für die Erwärmung des Motors und/oder der Kabine verwendet wird. Demgemäß kann in einigen Ausführungsbeispielen eine elektrische Heizvorrichtung 94 in den Innenraum oder Hohlraum 73 eingefügt sein, der zwischen der Diffusorplatte 70 und der obersten Wärmetauscherplatte 15 definiert ist. Daher wird, wenn Fluid durch den Einlass 20 in den Wärmetauscher eintritt, das eintreffende Fluid durch die innerhalb des Einlassendes des Wärmetauschers 10 durch die elektrische Heizvorrichtung 94 erzeugte Wärme vorgewärmt. Die elektrische Heizvorrichtung 94 kann innerhalb des inneren Hohlraums 73 angeordnet sein, der unter der Diffusorplatte 70 gebildet ist, wobei zweckmäßige Öffnungen und/oder Verdrahtungsleitungen in der Diffusorplatte 70 und der Endplatte 18 des Wärmetauschers 10 vorgesehen sind, um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung gemäß den im Stand der Technik bekannten Prinzipien zu gewährleisten.
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In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, die Wärmeübertragung oder die Kühlwirkung des Wärmetauschers 10 zu erhöhen durch weiteres Absenken der Temperatur des eintreffenden Fluids. Bei derartigen Anwendungen kann der innere Hohlraum 73 mit einem Phasenänderungsmaterial 96 (schematisch illustriert durch schraffierte Linien in 26) gefüllt sein. Daher wird, wenn das eintreffende Fluid gegen die Diffusorplatte 70 prallt, zusätzliche Wärme von dem eintreffenden Fluid weggezogen, da die Wärme durch die sehr dünne Wand der Diffusorplatte 70 geleitet und von dem Phasenänderungsmaterial aufgenommen wird, das für eine zusätzliche lokalisierte Kühlung des eintreffenden Fluids sorgt. Demgemäß ist darauf hinzuweisen, dass in Ausführungsbeispielen des Wärmetauschers 10, die die Diffusorplatte 70 enthalten, der innere Hohlraum 73, der zwischen der Diffusorplatte 70 und der obersten Wärmetauscherplatte 15 gebildet ist, für verschiedene Zwecke verwendet werden kann, um den Wärmetauscher 10 weiterhin an eine bestimmte Anwendung anzupassen.
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Während der Wärmetauscher 10 als ein eigenständig umschlossener Wärmetauscher beschrieben wurde aufgrund der Struktur der Kernplatten 14, 16, die jeweils sich aufwärts erstreckende Umfangsflansche 34 haben, die in abdichtender Beziehung miteinander verschachtelt sind, wenn die Platten 14, 16 abwechselnd übereinandergestapelt sind, um den Kern 12 zu bilden, ist darauf hinzuweisen, dass die Kernplatten 14, 16 modifiziert werden können, um einen Wärmetauscherkern 12 zu bilden, der in einem getrennten äußeren Gehäuse untergebracht ist.
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Die 22 und 23 zeigen noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, bei dem der Wärmetauscherkern innerhalb eines äußeren Gehäuses eingeschlossen ist, wobei gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um ähnliche Merkmale zu identifizieren. Wie gezeigt ist, weist der Wärmetauscher 100 einen Wärmetauscherkern 12 auf, der von einem getrennten äußeren Gehäuse 80 umschlossen ist. Das äußere Gehäuse 80 hat ein erstes Ende 82 in der Form des Fluideinlasses 20 und ein zweites Ende 84 in der Form des Fluidauslasses 22. Modifizierte Kernplatten 14, 16 sind abwechselnd übereinandergestapelt, um den Kern 12 mit den Wulstbereichen 43, 44 (nicht gezeigt) auf einer Kernplatte 14 zu bilden, ausgerichtet und gepaart mit den entsprechenden Wulstbereichen 43, 44 (nicht gezeigt), die auf der benachbarten Platte 16 gebildet sind, wodurch die Platten 14, 16 in gegenseitigem Abstand gehalten sind und abwechselnde Strömungsdurchgänge 40, 42 bilden. In diesem Ausführungsbeispiel umkreist jedoch, anstatt einen sich aufwärts erstreckenden Flansch 34 zu haben, der sich von dem ersten, offenen Ende 30 der Platten 14, 16 weg erstreckt, ein Umfangsflansch 86, der sich unter einem Winkel im Allgemeinen parallel zu dem Winkel der konisch geformten Seitenwand 18 erstreckt, das erste offene Ende der Platten 14, 16 ähnlich dem an dem zweiten, offenen Ende der Platten 14, 16 gebildeten Umfangsflansch 36. Die Umfangsflansche 36, 38 dienen zum Abdichten des inneren Raums, der zwischen den im gegenseitigen Abstand angeordneten Seitenwandbereichen 29 von benachbarten Platten 14, 16, die die Strömungsdurchgänge 40 bilden, gebildet ist. Obgleich dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, erstrecken sich entsprechende Einlass- und Auslassarmaturen 24, 26 durch das äußere Gehäuse 80, um eine Fluidverbindung zwischen der Fluidquelle und den Strömungsdurchgängen 40 innerhalb des Wärmetauscherkerns 12 herzustellen.
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Die Verwendung des vorbeschriebenen Wärmetauschers als ein Flüssigkeit/Flüssigkeit-Ölkühler wird nun im Einzelnen beschrieben. In dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscherkern 12, der aus einem Stapel von Plattenpaaren 17 besteht, die aus einer abwechselnden Anordnung von konisch geformten Kernplatten 14, 16 gebildet sind, innerhalb des äußeren Gehäuses 80 angeordnet. Eine Diffusorplatte 70(1), 70(2) ist an einem Ende des Stapels im Allgemeinen in-line mit dem Fluideinlass 20 an dem ersten Ende 82 des äußeren Gehäuses 80 angeordnet. Demgemäß tritt jedes geeignete Kältemittel, beispielsweise Wasser, durch den Einlass 20 des äußeren Gehäuses 80 in den Wärmetauscher 100 ein und wird durch Strömungsdurchgänge 42, die zwischen den im gegenseitigen Abstand angeordneten Plattenpaaren 17 und innerhalb des den Wärmetauscherkern 12 innerhalb des Gehäuses 80 umgebenden Raums gebildet sind, verteilt und durch die ausgerichteten zentralen Öffnungen 32 der Platten 14, 16 geleitet, bevor es an dem zweiten Ende 84 des Gehäuses 80 durch den Auslass 22 aus dem Gehäuse 80 austritt. Ein zweites Fluid, beispielsweise Motoröl oder Getriebeöl oder jedes andere geeignete Fluid, tritt durch den Fluideinlass 24 (nicht gezeigt in den Zeichnungen) in das Gehäuse 80 des Wärmetauschers ein, wobei der Fluideinlass 24 das zweite Fluid durch Strömungsdurchgänge 40 leitet, bevor es durch den Fluidauslass 26 (nicht gezeigt) aus dem Wärmetauscher ausgegeben wird. Wärmeübertragungs-Verstärkungsvorrichtungen 60, wie eine gewellte Rippe, wie vorstehend in Verbindung mit 14 beschrieben ist, können zwischen den Plattenpaaren 17 in den Strömungsdurchgängen 42 positioniert sein. Die konische Form der gewellten Rippenfläche 60 bewirkt, dass der Abstand zwischen den Rillen an dem ersten Einlass der Strömungsdurchgänge größer und an dem zweiten offenen Ende mit kleinerem Durchmesser der Strömungsdurchgänge 42 kleiner oder enger zusammen ist. Diese Kontraktion innerhalb der Form der Wärmeübertragungsfläche oder gewellten Rippe hat die Tendenz, die Strömung des Fluids durch die Strömungsdurchgänge 42 zu beschleunigen, wodurch das Wachstum/die Bildung der Grenzschicht wirksam abnimmt und das Gesamtwärmeübertragungsvermögen durch den Kern 12 zunimmt. Die zentralen Bereiche 29 der Seitenwände 28, die die Kernplatten 14, 16 bilden, können weiterhin Vertiefungen, Rippen oder andere Formen von Vorsprüngen 90 aufweisen, die sich in die Strömungsdurchgänge erstrecken sollen, um die Turbulenz innerhalb der Fluidströmung in dem Strömungsdurchgang 40 zu vergrößern, damit das Gesamtwärmeübertragungsvermögen weiter erhöht wird.
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Gleich ob der Wärmetauscher 10, 100 ein sich selbst umschließender Wärmetauscher 10 wie in den 1–21 gezeigt oder ein Wärmetauscher 100 mit einem äußeren Gehäuse 80 wie in den 22–23 gezeigt ist, die In-Line-Anordnung des Einlasses und des Auslasses 20, 22 für eines der in den Wärmetauscher 10, 100 eintretenden Fluide ermöglicht, dass der Wärmetauscher 10, 100 in-line mit Fluidleitungen angeordnet ist, wodurch die Notwendigkeit von Biegungen und anderen zusätzlichen Fluidarmaturen herabgesetzt wird, die andernfalls erforderlich sein können, um die benötigten Fluidverbindungen herzustellen, und die sämtlich die Tendenz haben, zu dem Druckabfall innerhalb des Gesamtsystems beizutragen. Weiterhin verringert die allgemeine konische Form des Wärmetauscherkerns 12 auch die Notwendigkeit für das durch den Wärmetauscher strömende Fluid, mehrere 90-Grad-Biegungen durchzuführen, die häufig in anderen Wärmetauscherstrukturen gefunden werden, wodurch noch einmal der Gesamtdruckabfall durch den Wärmetauscher 10, 100 verbessert wird.
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Während verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, ist darauf hinzuweisen, dass bestimmte Anpassungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können. Daher sind die vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele als veranschaulichend anzusehen, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie beschränkend sind.
