DE3050963C3 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er beispielsweise - nicht jedoch ausschließlich - für den Gebrauch als Motor-Kühler, Heizkörper einer Kraftfahrzeug-Heizungsanlage oder eine ähnliche Einrichtung Verwendung findet.

Diese Art von Wärmetauscher ist als Kühler für Kfz-Motoren aus dem DE-GM 66 02 685 bekannt. Für diese Anwendung des Wärmetauschers beträgt üblicherweise die Tiefe der Rippen bis zu 32 mm und liegt der Rippenabstand zwischen 3,5 und 4 mm. Derartige Wärmetauscher erfordern, wenn sie bei­ spielsweise zur Kühlung eines Kfz-Motors mittlerer Leistung eingesetzt werden, verhältnismäßig große Abmessungen, um die gewünschte Kühlleistung zu erzielen. Andererseits er­ weist es sich aufgrund der Vielzahl von Zusatzgeräten, die im Motorraum eines Kraftfahrzeugs untergebracht werden sollen, als notwendig, gerade die Abmessungen so großer Bauteile wie des Motorkühlers zu verringern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß er bei kompakten Abmessungen eine hohe Kühlleistung besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei Einhaltung solcher Abmessungen wird nicht nur das Gewicht und die räumliche Abmessung vermindert, es wird überraschenderweise auch noch die Leistung bei gleicher Austauschfläche verbessert.

Es ist aus der GB-PS 14 97 935 ein Wärmetauscher bekannt, dessen Rippen keine Lamellen besitzen sondern glatt sind und für den Bemessungsregeln angegeben sind, aus denen sich für die Tiefe der Rippen ein Wertebereich für die Mindest­ abmessungen von 8-120 mm errechnen läßt, während die Rippenabstände zwischen 0,4 bis 12 mm betragen sollen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Kühlleistung läßt sich weiter noch durch eine Vermin­ derung der Länge der Leitflächen auf die Werte gemäß Patentanspruch 4 und des Abstands der Mitten der Flachrohre auf die Werte gemäß Patentanspruch 3 erhöhen.

Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Frontansicht eines Kraftfahrzeug-Kühlers mit einem Wärmetauscher,

Fig. 2 eine vergrößerte, in der Perspektive gezeigte Teilansicht eines Flachrohrpaars des Kühlers mit dazwischen angeordneten gewellten Rippen,

Fig. 3 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen der Tiefe der gewellten Rippen und der Wärmedurch­ gangszahl,

Fig. 4 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Rippenabstand und der Wärmedurchgangszahl der gewellten Rippen.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Darstellung eines Quer­ schnitts durch eine Rippe, die mit Luftschlitzen versehen ist, welche Leitflächen und Öffnungen bilden,

Fig. 6 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen der Länge der Luftschlitz-Leitflächen und der Wärme­ durchgangszahl der Rippen,

Fig. 7 zeigt graphisch den Zusammenhang des Mittenab­ stands der Flachrohre und der Wärmedurchgangszahl der Rippen,

Fig. 8 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Mittenabstand der Flachrohre und der Wärmedurch­ gangszahl von Rippen mit unterschiedlichem Rippenabstand,

Fig. 9 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Mittenabstand der Flachrohre und der Kühl­ leistung,

Fig. 10 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Rippen-Überstandsmaß über die Flachrohre und der Kühlleistung.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besitzt der Kühler 1 für ein Kraft­ fahrzeug einen oberen Wasserkasten 1a aus Kunststoff oder Messing mit einem Einlauf 1b und einem Einfüllstutzen 1d. Der obere Wasserkasten 1a sitzt auf einem Kühlerblock, der aus einer Reihe von im Abstand parallelen Flachrohren sowie gewellten Rippen 1e besteht, die zwischen den Flachrohren angeordnet und jeweils mit den benachbarten Flachrohren 1c in thermischer Verbindung stehen. Am Boden des Kühlerblocks ist ein unterer Wasserkasten 1f angebracht, der einen Aus­ lauf 1g besitzt. Das über den Einlauf 1b vom Motor zuströmende Wasser wird im oberen Wasserkasten 1a auf die Flachrohre verteilt, durchströmt diese nach unten in den als Sammler dienenden unteren Wasserkasten 1f, den es über den Auslauf 1g in Richtung auf den Motor verläßt. Der untere Wasserkasten 1f besteht aus demselben Werkstoff wie der obere Wasserkasten 1a.

Jedes Flachrohr 1c besteht aus einer dünnen Messingfolie, die beispielsweise 0,13 mm stark ist und die in eine im Querschnitt gesehen rechteckige Form mit einer Dicke von 2 mm gebracht ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird. Die gewellten Rippen 1e bestehen aus einem dünnen Kupferstrei­ fen, der eine Dicke von 0,05 bis 0,06 mm besitzt und in eine wellige Form gebracht ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die gewellten Rippen 1e und die parallelen Flachrohre 1c definieren Kanäle für eine Luftströmung, wie sie durch einen Pfeil X in Fig. 2 angedeutet ist und durch einen nicht gezeigten Luftventilator erzeugt wird. Die Flachrohre 1c sind so angeordnet, daß die Längsachse ihres rechtecki­ gen Querschnitts im wesentlichen parallel zur Richtung der Luftströmung X durch den Kühler 1 verläuft.

In jeder Rippe 1e sind durch Schlitze Lamellen gebildet, die eine Vielzahl von Leitflächen 1e′ und eine Vielzahl von Öffnungen bilden, die zwischen diesen begrenzt werden, wie dies in Fig. 6 gezeigt wird. Jede Schlitz-Leitfläche 1e′ ist gegenüber der Ebene der Rippe 1e um einen Winkel Θ geneigt, der in der Größenordnung zwischen 18° und 32° liegt. In der gezeigten Ausführungsform beträgt der Winkel Θ im wesentlichen 25°.

Die gewellten Rippen 1e werden auf folgende Weise mit den Flachrohren 1c verbunden: Die Oberflächen der Flachrohre 1c werden mit einem Hartlot-Werkstoff plattiert und die ge­ wellten Rippen 1e dann mittels einer Montagevorrichtung mit den plattierten Flachrohren 1c vormontiert. Die Montageein­ heit wird dann in einem Ofen erhitzt, so daß die Plattie­ rung schmilzt und gewellte Rippen 1e und Flachrohre 1c miteinander verbunden werden.

Zur Ermittlung optimaler Abmessungen für den Kühlerblock wurden Versuche durchgeführt.

Zunächst wurden Versuche mit verschiedenen Tiefen C der Rippen 1e gemessen in der Richtung parallel zur Richtung der Luftströmung X und im folgenden mit "Rippentiefe" be­ zeichnet, durchgeführt, um den Einfluß der Verkürzung der Rippentiefe C auf die Kühlleistung des Kühlers 1 herauszu­ finden.

Bei gleichen Abmessungen l₁ und l₂ der Breitseite des in Fig. 1 gezeigten Kühlerblocks (l₁ = 325 mm; l₂ = 490 mm) und unter Abstimmung des Rippenabstands F_p und der Rippen­ tiefe C auf eine konstante Wärme-Austauschfläche der ge­ wellten Rippen 1e (zum Beispiel mit dem Verhältnis C/F_p = 8) wurde die Rippentiefe C schrittweise verkleinert und die Kühlleistung gemessen, um die Wärmedurchgangszahl der Rippen pro äußerer Oberfläche zu erhalten, wie dies graphisch in Fig. 3 dargestellt ist; die Rippentiefe C von 32 mm ist dem Stand der Technik entnommen. Ein Vergleich der Versuchsergebnisse mit dem Stand der Technik zeigt, daß die Wärmedurchgangszahl des Kühlerblocks ansteigt, wenn die Rippentiefe C abnimmt. Die maximale Wärmedurchgangszahl wurde mit einer Rippentiefe C von 16 mm erhalten. Die Wärme-Durchgangszahlen der Rippen mit einer Rippentiefe von 12 bis 23 mm sind über 10% größer als die Wärmedurch­ gangszahl einer Rippe herkömmlicher Bauart mit einer Rippentiefe von 32 mm. Die Wärme-Durchgangszahlen bei Rippentiefen von 15 bis 18 mm sind sogar über 15% größer als die Wärmedurchgangszahl einer herkömmlichen Rippe mit herkömmlicher Rippentiefe (32 mm).

In diesem Bereich optimaler Abmessungen der Rippentiefe C wurden der Einfluß des Rippenabstands F_P auf die Wärme­ durchgangszahl der gewellten Rippen 1e ermittelt. Drei Arten von gewellten Rippen 1e mit Rippenstreifen C von 14 mm, 16 mm bzw. 20 mm wurden für die Versuche herangezogen und der Rippenabstand F_P variiert. Die ermittelten Wärme­ durchgangszahlen sind in Fig. 4 gezeigt, in der die Kurven G, H und E den Rippentiefen 14 mm, 16 mm bzw. 20 mm zuge­ ordnet sind. Der Punkt Y in Fig. 5 zeigt die Wärmedurch­ gangszahl der herkömmlich gewellten Rippen mit einer Rippentiefe von 32 mm und einem Rippenabstand von 3,5 mm. Man erkennt, daß die Wärmedurchgangszahlen der gewellten Rippen angehoben werden, wenn die Rippentiefe C und ferner der Rippenabstand F_P gegenüber der herkömmlichen Rippe Y verkleinert wird.

Die maximalen Wärmedurchgangszahlen der drei Rippenarten 1e werden bei einem Rippenabstand von im wesentlichen 2,2 mm erhalten. Beschränkt man die Rippenabstände F_P auf den Be­ reich von 1,5 bis 3,3 mm und speziell auf den Bereich von 1,8 bis 2,8 mm, werden die Wärmedurchgangszahlen der drei Arten von gewellten Rippen 1e gegenüber herkömmlichen Rippen Y wesentlich verbessert. Die in Fig. 4 gezeigten Ergebnisse wurden unter der Bedingung erhalten, daß Luft mit einer Geschwindigkeit von 10 m/sec durch den Kühler 1 geblasen wurde.

Weitere Versuche wurden über den Einfluß der Länge L_w der Leitflächen 1e′ (Fig. 5) der Lamellen auf die Wärmedurch­ gangszahlen der Rippen 1e durchgeführt. Fünf Arten von gewellten Rippen - alle mit der gleichen Rippentiefe C von 16 mm aber mit unterschiedlichen Rippenabständen F_P von 1,5 mm, 2,0 mm, 3,3 mm und 4,0 mm - wurden in den Versuchen verwendet, wobei die Länge der Luftschlitz-Leitflächen 1e′ variiert wurde. Die Ergebnisse der Versuche sind in Fig. 6 gezeigt, wobei die Kurven J, K, L, M bzw. N die Testergeb­ nisse mit den Rippenabständen F_P von 1,5 mm, 2,0 mm, 3,0 mm, 3,3 mm und 4,0 mm zeigen; eine Kurve 0 zeigt die theoretische Wärmedurchgangszahl von Rippen, die man erhal­ ten würde, wenn Luft entlang gewellter Rippen 1e ohne irgendeine Teilung strömen würde. Man erkennt aus Fig. 6, daß bei unterschiedlichen Werten für den Rippenabstand F_P die jeweiligen maximalen Wärmedurchgangszahlen bei anderen Längen L_w gefunden wurden, wobei die Wärmedurchgangszahl ansteigt, wenn die Länge L_w der Luftschlitz-Leitfläche abnimmt. Bei Rippenabständen zwischen 1,5 bis 3,3 mm liefert die Länge L_w der Leitfläche von 0,7 bis 1,2 mm eine gute Wärmedurchgangszahl, während bei L_w-Werten von 0,9 bis 1,1 mm eine ausgezeichnete Wärmedurchgangszahl der Rippen erreicht wird.

Die in Fig. 5 gezeigten Versuchsergebnisse wurden mit der Randbedingung erreicht, daß die Geschwindigkeit des Luft­ stroms durch den Kühler 1 im wesentlichen bei 10 m/sec lag und die Neigungswinkel Θ der Schlitzleitflächen 1e′ gegen die Ebene der entsprechenden Rippen 1e im Bereich zwischen 24° und 28° lagen.

Noch weitere Versuche wurden mit Flachrohren 1c durchge­ führt, die für die Rippen 1e geeignet sind. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Fig. 7 bis 10 gezeigt. Fig. 7 zeigt die Testergebnisse mit Flachrohren 1c unterschiedlicher Tiefe A (Fig. 2) mit Mittenabstand T_P der Flachrohre als weiteren Parameter und den Wärme-Durchgangszahlen der ge­ wellten Rippen als Meßwerte. Die Kurven P und Q beziehen sich auf Flachrohre mit einer Tiefe A von 16 mm bzw. 13 mm und einer Stärke B von 2 mm. Die verwendeten Rippen hatten in beiden Fälle die gleiche Tiefe C von 16 mm, die gleiche Leitflächen-Länge L_w von 1 mm, und den gleichen Neigungs­ winkel Θ von 24° bis 28°. Die Flachrohre 1c waren bei jedem Versuch in einer einzigen Reihe angeordnet. Der Mittenab­ stand T_P wurde von Versuch zu Versuch variiert und die Wärmedurchgangszahlen gemessen. Die Kurve R in Fig. 7 zeigt Testergebnisse, die mit einer Kombination von parallelen, in zwei Reihen angeordneten Flachrohren 1c und herkömmli­ chen gewellten Rippen erhalten wurden, deren Rippentiefe C 32 mm und deren Rippenabstand F_P 4 mm betrug. Die in Fig. 7 gezeigten Testergebnisse wurden mit einer Randbedingung erreicht, bei der die Geschwindigkeit der Luftströmung durch den Kühler 8 mm/sec betrug.

Man erkennt aus Fig. 7, daß die maximalen Wärmedurchgangs­ zahlen mit der Rippentiefe C von 16 mm erreicht wurden, wenn die Flachrohre in einem Abstand von ungefähr 10 mm angeordnet waren; höhere Wärmedurchgangszahlen wurden bei Verwendung von Flachrohren mit größerer Tiefe A der Flach­ rohre (Kurve P) erreicht.

Schließlich wurden Versuche über den Einfluß des Mittenab­ stands T_P auf die Wärme-Austauschleistung durchgeführt. Fig. 8 zeigt hierzu den Einfluß des Mittenabstands T_P auf die Wärmedurchgangszahl der Rippen, während Fig. 9 den Einfluß des Mittenabstands T_P auf die Kühlleistung zeigt. Die Kurven S und T in Fig. 8 sowie U und V in Fig. 9 zeigen die Versuchsergebnisse, die mit Rippenabständen F_P von 2 mm bzw. 3 mm erhalten wurden. Man erkennt aus den Fig. 8 und 9, daß die maximale Wärme-Austauschleistung dann erhalten wird, wenn die Flachrohre in einem Abstand von 10 mm ange­ ordnet sind.

Der optimale Bereich, in dem sich die Tiefe A der den Rippen 1e angepaßten Flachrohre 1c bewegen soll, muß auf der Grundlage der Wärme-Übertragungsbedingungen auf der Innenseite der Röhren 1c und der Wärme-Abführungsleistung der äußeren Oberfläche der Rippen festgelegt werden, die thermisch mit den Röhren 1c gekoppelt sind. Es wurden weitere Versuche zur Erfassung des Zusammenhangs zwischen der Kühlleistung der Rippen und dem Maßunterschied zwischen der Tiefe A der Flachrohre und der Rippentiefe C durchge­ führt. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 10 gezeigt, worin diese Maßunterschiede durch das "Rippen-Überstands­ maß" Y_L dargestellt werden, welches der folgenden Beziehung folgt:

Y_L = ¹/₂ (C-A)

Man erkennt aus Fig. 10 daß die Kühlleistug in dem Bereich klein ist, in dem die Tiefe A der Flachrohre kleiner ist als die Rippentiefe C, weil in diesem Bereich die Wärme nicht gut von den Flachrohren auf die Rippen übertragen wird; man erkennt ferner, daß die Kühlleistung auch in dem Bereich klein ist, in dem die Tiefe A der Flachrohre größer sind als die Rippentiefen C, weil in diesem Bereich die Röhren einen erhöhten Innenquerschnitt besitzen, aus dem ein Abfall der Wasser-Strömungsgeschwindigkeit durch die Flachrohre und somit ein Abfall der Wärmedurchgangszahlen und der Kühlleistung resultiert. Demgemäß sollte die Erstreckung der Längenachse des Rechteck-Querschnitts jedes Flachrohrs, d. h. die Tiefe A bevorzugterweise nicht größer sein als die Erstreckung C - gemessen in der Strömungsrich­ tung der Luft durch den Kühler - einer jeden Rippe. Genauer gesagt sollte das Rippen-Überstandsmaß Y_L im Bereich zwischen 0 (Null) und 2 mm liegen.

Die in Fig. 10 gezeigten Versuchsergebnisse wurden unter folgenden Randbedingungen erreicht: Die Geschwindigkeit der Luftströmung durch den Wärmetauscher betrug ca. 8 mm/sec, und die Flachrohre hatten jeweils eine Breite B von 2 mm.

Man erkennt aus den Fig. 7 bis 10, daß man eine optimale Kühlleistung mit einer Anordnung erhält, bei der die Flach­ rohre 1c in einem Abstand von 8,5 bis 11 mm und bevorzug­ terweise von 9 bis 11 mm angeordnet sind.

Der beschriebene Kühler 1 ist klein gebaut, hat ein geringes Gewicht und sorgt für eine große Kühlleistung. Im gesamten Betriebsspektrum eines mit einem Motor in der Größenordnung von ca. 1,6 l Hubraum ausgestatteten motorbetriebenen Kleinwagens besitzt der Kühler eine Kühlleistung, die der des herkömmlichen Kühlers überlegen ist. Es soll besonders betont werden, daß die Kühlleistung des Kühlers im Teillast-Bereich des Motors (d. h. bei einer Wasser-Durchflußrate von ca. 30 l/min wesentlich über der Kühlleistung des herkömmlichen Kühlers liegt. Diesem Vergleich lagen folgende Kühlerab­ messungen zugrunde; im Falle des Kühlers betrug die Tiefe C der gewellten Rippen 1e gleich 16 mm; der Rippenabstand F_P gleich 2,0 mm; die Länge L_w der Leit­ flächen gleich 1,0 mm; der Neigungswinkel Θ der Schlitz- Leitflächen 1e′ gleich 26° bis 28°; die Tiefe A der Flach­ rohre 1c gleich 13 mm; die Flachrohre 1c wurden in einer einzigen Reihe und in einem Mittenabstand T_P von 10 mm angeordnet; das Verhältnis des Mittenabstands T_P zur Rippentiefe C betrug: T_P/C = 0,62. Der Kühler nach dem Stand der Technik hatte die folgenden Abmessungen und den folgenden Aufbau: die Tiefe C der gewellten Rippen betrug 32 mm; der Rippenabstand F_P betrug 3,5 mm; die Länge L_w der Leitflächen betrug 1,4 mm; die Neigungswinkel Θ der Schlitz-Leitflächen bewegten sich in der Größenordnung zwischen 26° und 28°; die Tiefe A der Flachrohre betrug 13 mm und der Mittenabstand T_P 12 mm; die Flachrohre waren in zwei Reihen hintereinander in Strömungsrichtung der Luft angeordnet. Die beiden somit getesteten Kühler hatten Kühlerblöcke mit gleichen Abmessungen, wobei die vertikale Erstreckung l₁ bei beiden Kühlern 325 mm und die Breiten­ erstreckung l₂ 490 mm betrug. In beiden Versuchen lag die Geschwindigkeit der Luftströmungen durch die Kühler bei 10 m/sec.

Der Wärmetauscher wurde in seinem Anwen­ dungsbereich als Motor-Kühler beschrieben. Das Anwendungs­ gebiet des Wärmetauschers ist jedoch nicht auf die Verwendung als Motor-Kühler beschränkt. Der Wärmetauscher kann beispielsweise als Heizungs-Kernstück einer Kfz-Klimaanlage oder als Radiator einer Wohlraum- Klimaanlage verwendet werden. Das durch die Röhren des Wärmetauschers umzuwälzende Strömungsmittel ist somit nicht auf das Motor-Kühlwasser beschränkt.

Claims (5)

1. Wärmetauscher, insbesondere Kühler für Kfz-Motoren mit nur einer Reihe von im Abstand parallel zueinander angeordneten Flachrohren, die Kanäle für ein erstes Strömungsmittel bilden, mit gewellten Rippen, die zwischen den Flachrohren an sie angrenzend angeordnet sind sowie jeweils mit den benachbarten Flachrohren in thermischer Verbindung stehen und mit im Winkel von 18 bis 32° geneigten Lamellen versehen sind, die Leitflächen und Öffnungen bilden, wobei sich die Rippen quer zur Längsrichtung der Flachrohre erstrecken und Kanäle für ein zweites Strömungsmittel bilden, und mit einer Einlaß- und Verteilkammer und einer Sammel- und Auslaßkammer für das erste Strömungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (C) der Rippen (1e) zwischen 15 und 18 mm daß die Rippenabstände (F_p) zwischen 1,8 und 2,8 mm betragen, daß jede Leitfläche (1e′) eine Länge (L_w) von 0,7 bis 1,2 mm besitzt und daß der Abstand (T_p) der Mitten der parallelen Flachrohre zwischen 8,5 und 14 mm beträgt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (A) der Flachrohre (1c) in Richtung der Rippen (1e) an jedem Ende um bis zu 2 mm kleiner ist als die Tiefe (C) der Rippen.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (T_p) der Mitten der parallelen Flachrohre (1e) zwischen 9 und 11 mm beträgt.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitfläche (1e′) eine Länge (L_W) von 0,9 bis 1,1 mm besitzt.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke (B) der Flachrohre (1c) etwa 2 mm beträgt.