WO2012016686A1 - Wärmetauscher-lamellenmodul, wärmetauscher und elektrisches heizmodul - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a heat exchanger fin module according to the preamble of claim 1 and equipped with such heat exchanger fin modules heat exchanger and electric heating modules for heating an air flow.
- a heat exchanger fin module of the present type thus consists of a metal strip transformed into heat exchanger lamellae, which defines in its stretched, band-shaped, unconverted initial state with its longitudinal direction and its width direction a first plane, wherein the metal strip is reshaped in the heat exchanger lamella module in that it alternates between the first plane and a second plane, parallel to the first plane, to form a plurality of heat exchanger fins connecting the first plane and the second plane, arranged one behind the other in the longitudinal direction and through which a fluid can flow, forms in the first plane substantially planar first heat transfer sections, which line up in the longitudinal direction and at least partially, preferably completely cover the first plane, in the first plane in non-overlap areas, each at least one single-layer Form part of the first heat transfer sections, is formed in one layer, in the first plane in double overlap enriched in two layers, and in the first plane in three overlapping areas, each forming at least a three-ply face of the first heat transfer sections, three layers superimposed, wherein the non-
- Such heat exchanger fin modules are used in heat exchangers, such as motor vehicle radiators or heating modules for heating an air flow. They serve to conduct heat from the heat transfer sections into the fluid-through heat exchanger fins, of which the heat is then delivered to the fluid flowing through the heat exchanger fins, namely a liquid or gas, usually water or air in particular, or vice versa Heat is removed from the fluid by means of the heat exchanger fins.
- Heating elements in the case of heating modules for air flow heating
- optionally cooling elements when the fluid flowing through the heat exchanger fins fluid cooled
- fluid-flow channels for example in the case of motor vehicle radiators
- Known heat exchanger lamella modules of this type extend, seen in plan view on their narrow side, ie in the width direction, in rectangular meanders or in sinusoidal or sinusoidal waves, or in a triangular shape, which arises because the metal strip of a heat transfer section in the Starting from the first plane, it is deflected diagonally backwards to the second plane in order to be able to connect there to the preceding heat transfer section.
- Examples of the described forms of known heat exchanger fin modules are shown in FIGS. 1 to 3.
- Such and similar heat exchanger fin modules and their applications are described in the following publications: US Pat. No. 5,256,857, DE 31 19 302 A1, DE 10 2007 003 549 A1 and EP 1 605 221 AI.
- a preferred field of application for heat exchanger fin modules of the type mentioned is in electrical heating modules for heating an air flow, especially in vehicles, with PTC heating elements.
- PTC elements are semiconductor resistors made of ceramic whose ohmic resistance is temperature-dependent.
- the resistance-temperature characteristic is not linear; the resistance of a PTC heating element initially decreases slightly with increasing component temperature, in order then to rise very steeply at a characteristic temperature (so-called reference temperature).
- This generally positive slope coefficient (PTC positive temperature coefficient) results in a PTC heating element having self-regulating properties with respect to the temperature setting at current flow. If the component temperature is well below the reference temperature, the PTC heating element has a low resistance, so that correspondingly high currents can be passed through. If good heat dissipation from the surface of the PTC heating element is taken care of, a corresponding amount of electrical power is absorbed and dissipated as heat.
- the PTC electrical resistance also increases rapidly, limiting the electrical power consumption to a very low level.
- the component temperature then approaches an upper limit, which depends on the heat release to the environment of the PTC heating element. Under normal environmental conditions, the component temperature of the PTC heating element can therefore not rise above a characteristic highest temperature, even if in case of failure, the desired heat dissipation from the PTC heating element to the environment is completely interrupted.
- PTC heating elements for use in Walkerungsl. Air conditioning or predestined for other applications for air flow heating, especially in vehicles. For safety reasons, vehicles may not cause a flammable temperature in the heating element even in the event of a fault, although a high heat output is nevertheless required in normal operation.
- the heat-conducting heat exchanger fins serve as heat-dissipating elements with which the heat generated by the at least one PTC heating element is transferred to the air flowing through the heat-dissipating area. They consist of a good heat-conducting material, preferably of metal, in particular copper, brass or preferably aluminum. They are in the art as reshaped, ie For example, folded and / or curved lamellar band realized, for example, a meandering, rectangular, z-shaped or S-shaped folded to heat exchanger fins metal strip sheet metal strip, which forms an elongated heat exchanger lamellar band module (see, for example, EP 0 350 528 AI and WO 2009/087106 AI).
- Electrical heating modules with PTC heating elements and heat exchanger fins modules of the type mentioned are usually made of several layers of surface next to each other, with its narrow side in the air flow PTC heating elements, which are electrically contacted at their flat tops and bottoms with contact surfaces. Adjacent thereto are heat exchanger lamellar modules as described above, which are also with their narrow side in the air flow and contact on their broadside the contacting surface of the PTC heating elements at regular intervals, namely with their heat transfer sections, thermally overlying.
- the spring-loaded pressing the heat exchanger fins modules to the PTC heating elements or at their contacting surfaces requires a high stability of the heat exchanger fins module meandering heat exchanger fins; because the heat transfer from the PTC heating element in the heat exchanger fins modules requires relatively high contact pressure to be efficient. But also in other applications, such as automotive radiators, high inherent stability of the heat exchanger fin modules is highly desirable.
- the present invention seeks to improve a heat exchanger fin module of the type mentioned in terms of less expensive preparation, in particular with respect to lower tooling costs, higher stability, improved heat transfer and lower pressure drop.
- This object is achieved by a heat exchanger fin module with the features of the attached claim 1.
- a heat exchanger lamella module thus consists of a metal strip formed into heat exchanger lamellae which defines in its stretched, band-shaped, unconverted initial state with its longitudinal direction and its width direction a first plane, wherein the metal strip is reshaped in the heat exchanger lamella module such that it regularly alternates between the first plane and a second plane, which is parallel to the first plane, to form a plurality of heat exchanger fins connecting the first plane and the second plane, which are arranged one behind the other in the longitudinal direction and with a fluid can be flowed through, forms in the first plane substantially planar first heat transfer sections, which line up in the longitudinal direction and at least partially, preferably completely cover the first plane, in the first plane in non-overlapping areas, each at least one single-layer T.
- a heat exchanger fin module according to the invention is stable because the metal strip from which the heat exchanger fin module is superimposed in two layers on a partial surface of the first heat transfer sections, wherein the resulting two-layer partial surface and an optionally remaining single-layer partial surface of the first heat transfer sections extend over the entire width of the metal strip and are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the metal strip.
- the metal strip after the formation of a heat transfer section not directly from this starting, forming a heat exchanger blade over to the other level, but initially completely bent and forming a second layer of the heat transfer section backwards again, until it at the rear End of this two-ply face, preferably about half of the longitudinal extent of the heat transfer section is bent down and forming a heat exchanger blade to the other level, where it is again bent to the front and forms the single-layer partial surface or area of a local heat transfer section.
- the course of the heat exchanger fins is preferably substantially orthogonal to the first and second levels of the heat exchanger fin module, but this need not be so and depends in particular on the desired two-ply coverage of the heat transfer sections.
- the first heat transfer sections (2) are designed to be double-layered to 30% to 70%, preferably 40% to 60%, of the longitudinal direction (x). As a result, particularly stable embodiments can be formed.
- a heat exchanger fin module according to the invention is also very stable because the metal strip constituting the heat exchanger fin module is superimposed in three layers in the first plane in triple overlapping regions, each forming at least a three-layered partial surface of the first heat transfer sections, the resulting The resulting three-layer partial surface and an optionally remaining single-layer partial surface of the first heat transfer sections extend over the entire width of the metal strip and are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the metal strip.
- This is realized, for example, in that the metal strip is flanged from the second plane to the first plane and leading out of the second plane and a second heat exchanger blade is bent toward the first plane, and then in the first plane again in the longitudinal direction bent in front to form a three-layer first heat transfer section in the first plane.
- the triple overlap region is not limited to the immediate vicinity of the fold, but rather over one extending certain extent in the longitudinal direction.
- the first heat transfer sections are formed in three layers to 30% to 70%, preferably 40% to 60%, of the longitudinal direction.
- the first heat transfer sections are formed in one layer to less than 10% of the longitudinal direction, preferably only in the region of the fold, so that the first heat transfer sections consist essentially of a series of two- and three-layered sections.
- Partial surfaces exist, wherein between adjacent two- and dreila-gigen faces only or only substantially in the region of the fold form a single-layer part surface in which the metal strip in a single-surface course from one side of the first plane to the other side of the first plane replaced.
- the partially two-day and three-layer formation of the first heat transfer sections in the first plane leads to a high stability of the same.
- the heat exchanger plate modules can be produced by a purely mechanical deformation or cold forming of a metal strip.
- the metal strip can be made of any suitable material with good heat conduction, e.g. Made of aluminum, brass or copper.
- first level and second level are not always understood to mean levels in the mathematical sense. Rather, these "planes” can also run along a curved surface with a relatively large bending radius, for example, a circular arrangement of several heat exchanger. scher-lamella modules instead of a strictly row-like arrangement to allow. Furthermore, these "planes” are not necessarily in the mathematical sense without thickness, but may have a certain given by the thickness of the metal strip and its two- and three-layer formation, non-zero thickness.
- the inherent stability of the heat exchanger fin module is further high in that in a remote from the two-ply faces rear transverse edge of the single-ply face of each first heat transfer section a recess for receiving a facing away from the single-ply face front edge of the two-ply face of the next adjacent first heat transfer section is formed so that adjacent first heat transfer sections can overlap in the longitudinal direction so far.
- the front transverse edges of the two-layered partial surfaces of the double overlapping regions are each formed in a recess formed at the rear transverse edge of the next adjacent, the double overlap region in the longitudinal direction following non-overlapping region by extending in the width direction of the folded metal strip, so that in Overlap longitudinal front portions of the two-ply faces and the rear portions of the single-ply faces each in a triple overlap region to form the three-ply faces of the first heat transfer sections.
- both a high stability and a good heat conduction of a heat exchanger fin module according to the invention is achieved, even if the metal strip is only partially covered in the second level with second heat transfer sections, even if these only one layer are formed, and between the second heat transfer sections each uncovered by second heat transfer sections open sections, so that the second plane as an alternating sequence of second heat transfer sections and open sections is formed.
- the open areas provide great manufacturing advantages. In particular, the tool for forming the metal strip can be made much cheaper.
- a heat exchanger fin module according to the invention can be further optimized if the front edges of the two-layer partial surfaces of the first heat transfer sections are pressed against the recesses of the rear transverse edges of the single-layer partial surfaces of respectively adjacent heat transfer sections, in such a way that the contact pressure is fluid-tight.
- This fluid-tightness makes it possible for the heat-exchanger lamella module in particular to be able to flow through liquids without these being able to escape laterally out of the heat-exchanger lamella module.
- the heat exchanger lamella module thus forms fluid-tight channels between the individual heat exchanger lamellae.
- the heat exchanger fin module according to the invention is formed by a metal band which is formed so that it forms to form a single-layer first heat transfer section and the fold forming obliquely to the first plane, then in the first plane in the longitudinal direction forward, provided that one-layer first heat transfer section is formed not only in the region of the fold, then flanged at a front edge to the second plane and, lying on the heat transfer section, forming a two-ply face of the same, is fed back against the longitudinal direction until it leading out of the first plane and forming a heat exchanger blade is bent to the second plane extending, and then in the second plane turn in the longitudinal direction bent forward to form a second heat transfer section in the second plane, where it then a second leading edge is flanged towards the first plane and leading out of the second plane and a second heat exchanger blade is bent toward the first plane extending, and then in the first plane turn in the longitudinal direction bent forward to a three-layer first heat transfer Forming section in the first plane, then again to form
- a further preferred development of the invention is that in the heat exchanger fins as in WO 2009/087106 AI substantially transversely and / or substantially longitudinally directed to the fluid flow beads are formed to a better turbulence through the heat exchanger fins effecting flowing fluid. Such swirling in the fin area increases the heat transfer from the heat exchanger fins into the fluid (and vice versa).
- the heat exchanger fins as in WO 2009/087106 AI may also be provided with essentially transverse to the fluid flow breakouts. These can be very easily introduced into the heat exchanger fins.
- the heat exchanger fins of the heat exchanger fin module according to the invention can be provided with fluid flow-conducting bends in order to divert the fluid flow passing through the heat exchanger fins.
- a heat exchanger fin module according to the present invention can be used in all types of heat exchangers.
- a particularly preferred application consists in electrical heating modules for heating an air flow, which comprise at least one PTC heating element and at least one heat-dissipating area adjoining the same and passing through it.
- At least one heat exchanger fin module is arranged, which is in operative connection with the PTC heating element, ie in heat-conducting connection and emits the heat from this in the sweeping through the heat exchanger fin module air flow.
- a very good heat transfer from the PTC heating element in the heat exchanger fin module and there in the heat transfer sections is due to the peculiarity of the PTC heating element of particular importance; because this then takes on a lot of electrical power and converts it into heat, if it is held even at low temperature, so the heat generated by it is thus quickly and completely dissipated.
- the heat transfer between the PTC heating element and a heat exchanger fins module is in experience best when the heat exchanger fins module is pressed against the surface of the PTC heating element.
- the extremely high intrinsic stability of the heat exchanger fin module according to the invention is therefore of great advantage, especially in this field of application.
- an electric heating module is advantageously designed so that in each case at least one PTC heating element between two heat exchanger fin modules according to the invention is arranged, which rest with their heat transfer sections directly or indirectly on the PTC heating element.
- the heat generated in the PTC heating element is dissipated on both sides in the air flow, which increases the efficiency of the heating module, and on the other hand, the PTC heating element then quite simply be electrically contacted via the two heat exchanger lamella modules.
- a metallic contact element can be arranged in each case. This then serves not only for electrical contacting, but also for a mechanical pressure distribution in order to avoid load peaks on the PTC heating element. As far as the PTC heating elements do not extend over the entire surface of the heat transfer sections of the heat exchanger fins modules, but on the other hand are smaller, such intermediate metallic contact elements also ensure a more uniform heat distribution in the heat exchanger fins modules. Further, between the PTC heating element and a fin strip module adjacent thereto, there may still be arranged a so-called support element which is electrically and thermally conductive, i. preferably made of metal, and in particular the mechanical adjustment and the distribution of forces is used.
- a further advantageous embodiment of an electric heating module according to the invention finally consists in that the PTC heating element is not formed as a plate-like structure, but as a fluid-flowable tube.
- the PTC heating element can then not only heat an air flow by means of the heat exchanger fin modules, but also a further fluid flow, in particular liquid flow, flowing through the PTC heating element. If required, such an electric heating module can even become a chilled air cooling unit, when the PTC heating element is turned off and a cooling fluid is passed therethrough.
- a heat exchanger fin module according to the invention has the following advantages: It has a high intrinsic stability, good heat transfer, low flow resistance and low pressure drop.
- a particular advantage is the inexpensive and efficient production with little expenditure of time and low tool cost by using a cheap tool for forming the metal strip, less required folds of the metal strip and in particular the ability to open in the open sections in the second level and between the heat exchanger Slats to introduce a pressing tool with which in the first level superimposed faces of the heat transfer sections can be compressed with high pressure to achieve high stability and good heat transfer.
- FIG. 1 shows a schematic side view of a rectangular shaped heat exchanger fin module according to the prior art
- Figure 2 is a schematic side view of a Z-shaped formed
- Figure 3 is a schematic side view of an S-shaped reshaped
- FIG. 4 shows a perspective view of a first heat exchanger lamella module according to WO 2009/087106 A1,
- FIG. 5 is a perspective view of a second heat exchanger plate module according to WO 2009/087106 AI
- FIG. 6 shows a perspective view of a heat exchanger fin module according to the invention
- FIG. 7 is a side view of FIG. 6,
- FIG. 8 shows a detail of FIG. 7,
- FIG. 10 shows an exploded perspective view of a first electrical heating module according to the invention
- Figure 11 is a perspective view of a second electric heating module according to the invention.
- Figure 12 is an exploded perspective view of a third electrical heating module according to the invention.
- Figures 1 to 3 show schematic side views of three examples of heat exchanger fin modules 1 according to the prior art. They consist of a heat exchanger fins 2 deformed metal strip 3, which defines in its elongated, band-shaped, unconverted initial state with its longitudinal direction x and its width direction y a first plane A, wherein the metal strip 3 in the heat exchanger lamella module 1 is so transformed in that it alternates between the first plane A and a second plane B, which is parallel to the first plane A, to form a number of heat exchanger fins 2 connecting the first plane A and the second plane B, which are arranged one behind the other in the longitudinal direction x and can be flowed through by a fluid.
- the metal strip 3 forms first heat transfer sections 4 in the first plane A and second heat transfer sections 5 in the second plane B.
- the heat exchanger fins 2 are formed in rectangular meanders, whereby both the stability and the total area of the heat transfer Sections 4, 5 are not optimal.
- the heat exchanger fin module 1 of Figure 2 has a z-shaped or triangular folding of the heat exchanger fins 2, which although the coverage of the planes A and B through the heat transfer sections 4, 5 optimized, but is capable of improvement in terms of inherent stability.
- the heat exchanger fin module 1 of Figure 3 has s-shaped or sinusoidally shaped heat exchanger fins 2, which in turn is detrimental to the intrinsic stability. In all cases, the first level A and the second level B are the same.
- the flow resistance for the fluid flowing through between the heat exchanger fins 2 in the y direction is greater in the embodiment of FIG. 3 than in FIG. 2 and in FIG. 2 greater than in FIG. 1.
- FIG. 4 shows an improved heat exchanger fin module 1 according to the prior art in a perspective view. It is made of a metal strip 3 which reciprocates between a first plane A and a second plane B and thereby forms first heat transfer sections 4 in the first plane A and second heat transfer sections 5 in the second plane B, while the connecting pieces form between the planes A and B perpendicular heat exchanger fins 2.
- the metal strip 3 has in this case been reshaped such that it lies to form a first heat transfer section 4 in the first plane A, forming a single-layer part surface 6 of the first heat transfer section 4, then towards the second plane B at a front edge 7 flanged and lying on the first heat transfer section 4, forming a two-ply part surface 8, was fed back against a longitudinal direction x until it was leading out of the first plane A and a heat exchanger blade 2 forming the second plane B was bent away, and then in the second plane B in the longitudinal direction x to the front - in the representation so to the right - is bent away to form a subsequent single-layer first heat transfer section 4 in the second plane B.
- the metal strip 3 is then in turn crimped on a front edge 7 to the plane A and, lying on the second heat transfer section 5, forming a two-ply face 8, has been returned until it led out of the second plane B and a forming further heat exchanger lamella 2 to the first plane A, etc.
- the leading edges 7 of the first and second heat transfer sections 4, 5 in each case abut against rear transverse edges 9 of the respective adjacent heat transfer sections, so that substantially As Figure 4 illustrates, both in the first plane A and in the second plane B forms a closed surface of juxtaposed first heat transfer sections 4 and second heat transfer sections 5.
- the heat exchanger fins 2 are orthogonal to the planes A and B and the substantially closed design of the heat transfer sections 4, 5 is desired, it follows from geometric requirements that the heat transfer sections 4, 5 each about half two-day and the other half are single-layered.
- the illustrated heat exchanger fin module 1 results in a good stability, especially in a direction perpendicular to the planes A and B direction.
- FIG. 5 shows a further improved heat exchanger fin module 1 according to the prior art in a perspective view.
- the difference of this embodiment to that of Figure 4 is that the heat transfer sections 4, 5 are no longer just lined up, but overlap slightly, resulting in the overlap region in the longitudinal direction x short three-layered sections or three-layered partial surfaces 10.
- the single-layer partial surfaces 6 of the heat transfer sections 4, 5 are each provided with a recess 11 which is adapted to the front edge 7 of the next adjacent heat transfer section 4, 5.
- the recesses 11 are formed by extending in the width direction y folds 12 of the metal strip. 3 formed and in the region of a fold 12, the metal strip 3 extends in a single layer from one to the other side of the formed by the heat transfer sections 4, 5 levels A, B.
- the single-layer partial surfaces 6 of the heat transfer sections 4, 5 are each provided with a recess 11, which is adapted to the front edge 7 of the next adjacent heat transfer section 4, 5, this can be a short distance into the single-layer partial surface 6 of the heat transfer section.
- the two-ply face 8 and the single-ply face 6 of each heat-transfer section 4, 5 are not the same size, since sections 4, 5 extend and the heat transfer sections 4, 5 substantially form a flat surface in the planes A, B.
- the heat exchanger fins 2 are here again perpendicular to the planes A and B.
- the leading edges 7 of the heat transfer sections 4, 5 are pressed into the recesses 11 in such a way that a fluid-tight connection results.
- the spaces between the heat exchanger fins 2 thus form fluid-tight channels.
- the first plane A is in each case formed identically to the second plane B, and the second heat transfer sections 5 completely cover the second plane B.
- Figures 6 and 7 show an embodiment of a heat exchanger fin module according to the invention 1, Figure 6 in a perspective view and Figure 7 in a side view.
- the first level A with the first heat transfer sections 4 corresponds in its construction to that of the plane A of the heat exchanger fin module 1 of Figure 5 with the following two differences.
- the first heat transfer sections 4 are not only three-layered in the immediate region of the recesses 11, but the three-layer construction extends over a longer region in the longitudinal direction x, for example wise to 30% to 70%, preferably 40% to 60% of the longitudinal direction x of the first heat transfer sections 4 and the length of the heat exchanger fin module 1.
- the first heat transfer sections 4 according to the illustrated preferred embodiment to less than 10% of the longitudinal direction x of the first heat transfer sections 4 or the length of the heat exchanger lamella module 1, preferably formed in one layer only in the region of the fold 12. Both differences increase in comparison to the known training, both the stability and the heat conduction.
- the second plane B is only partial covered with second heat transfer sections 5 and has between the second heat transfer sections 5 each not covered by second heat transfer sections 5 open sections 13, so that the second plane B is formed as an alternating sequence of second heat transfer sections 5 and open sections 13 ,
- the heat exchanger fin module 1 according to the invention can be produced with very low tooling costs, while still achieving both high stability and good heat conduction properties.
- tools may easily be introduced through the open portions 13 between the heat exchanger fins 2, for example, a pressing tool for compressing the multi-layered first heat transfer sections 4. This enables a favorable and high-quality production.
- the second heat transfer sections 5 single-layer be educated. This simplifies the production of the heat exchanger fin module 1 and allows a good heat transfer in this area over only one material thickness. Furthermore, it may be provided for structural reasons and to simplify the production as shown that the length (measured in the longitudinal direction x) of the second heat transfer sections 5 of the length (measured in the longitudinal direction x) of the two-ply faces 8 of the first heat transfer sections 4 corresponds. For the same reason it can be provided that, as shown, the length (measured in the longitudinal direction x) of the open sections 13 of the second plane B corresponds to the length (measured in the longitudinal direction x) of the three-layered partial surfaces 10 of the first heat transfer sections 4.
- the heat exchanger fin module 1 can be provided that are formed in edges of the metal strip 3, which are formed by second heat transfer sections 5 and heat exchanger fins 2, directed substantially perpendicular to the metal strip 3 beads 14.
- the metal strip 3 which are formed by second heat transfer sections 5 and heat exchanger fins 2, directed substantially perpendicular to the metal strip 3 beads 14.
- one such edge is formed in each case with a bead 14, to be precise approximately in the middle of the edges extending in the width direction y.
- the beads 14 are shown enlarged again in FIGS. 8 and 9. It becomes clear that it is made possible, in particular by the open sections 13 present according to the invention, to mold such beads 14 into the edges when producing a heat exchanger lamella module 1 from a metal strip 3.
- FIG. 10 shows a schematic perspective exploded view of an example of an electric heating module 15. It comprises a heat exchanger arrangement of two heat exchanger fin modules 1 of the type illustrated in FIGS. 6 to 9. Two heat exchanger fin modules 1 are arranged one above the other. The gap between them could allow fluid to pass through in other applications.
- a heating element namely a PTC heating element 16 is used, which in the assembled state of the heating module 15 is in electrical and thermally conductive connection to the first heat transfer sections 4 of the two heat exchanger fin modules 1, receives from these current and delivers to this heat.
- a plate-shaped element for example a metallic contact element 17 and / or a support element 18, between the first heat transfer sections 4 of the two heat exchanger lamella modules 1 and the PTC heating element 16.
- FIG. 11 shows a modification to FIG. 10 with three heat exchanger lamination modules 1 arranged one above the other.
- FIG. 12 shows a further modification to FIG. 10 with two heat exchanger lamination modules 1 arranged one behind the other in the flow direction of the heated fluid corresponding to the width direction y one side of the two PTC heating elements 16 and a larger common heat exchanger fin module 1 on the other side of the two PTC heating elements 16.
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Abstract
Es wird ein Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) vorgeschlagen, das aus einem zu Wärmetauscher-Lamellen (2) umgeformten Metallband (3) besteht, das zwischen einer ersten Ebene (A) und einer zweiten Ebene (B) regelmäßig hin und her wechselnd verläuft, um Wärmetauscher-Lamellen (2) zu bilden. Dabei ist vorgesehen, dass die erste Ebene (A) vollständig mit ersten Wärmeübergangs-Abschnitten (4) überdeckt ist, die zweite Ebene (B) aber nur teilweise mit zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten (5) überdeckt ist und zwischen den zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten (5) jeweils nicht durch zweite Wärmeübergangs-Abschnitte (5) überdeckte offene Abschnitte (13) aufweist, sodass die zweite Ebene (B) als alternierende Folge von zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten (5) und offenen Abschnitten (13) ausgebildet ist.
Description
Wärmetauscher-Lamellenmodul,
Wärmetauscher und elektrisches Heizmodul
Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscher-Lamellenmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie mit derartigen Wärmetauscher-Lamellenmodulen ausgerüstete Wärmetauscher und elektrische Heizmodule zum Erwärmen eines Luftstroms.
Ein Wärmetauscher-Lamellenmodul der vorliegenden Art besteht also aus einem zu Wärmetauscher-Lamellen umgeformten Metallband, das in seinem gestreckten, bandförmigen, nicht umgeformten Ausgangszustand mit seiner Längsrichtung und seiner Breitenrichtung eine erste Ebene definiert, wobei das Metallband in dem Wärmetauscher-Lamellenmodul so umgeformt ist, dass es zwischen der ersten Ebene und einer zweiten Ebene, die zur ersten Ebene parallel ist, regelmäßig hin und her wechselnd verläuft, um eine Anzahl von die erste Ebene und die zweite Ebene verbindenden Wärmetauscher-Lamellen zu bilden, die in der Längsrichtung hintereinander angeordnet und mit einem Fluid durchströmbar sind, in der ersten Ebene im Wesentlichen ebene erste Wärmeübergangs- Abschnitte ausbildet, die sich in Längsrichtung aneinander reihen und die erste Ebene zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig überdecken, in der ersten Ebene in Nichtüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine einlagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte bilden, einlagig ausgebildet ist, in der ersten Ebene in Zweifachüberlappungs-
bereichert, die jeweils mindestens eine zweilagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte bilden, zweilagig übereinandergelegt ist, und in der ersten Ebene in Dreifachüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine dreilagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs- Abschnitte bilden, dreilagig übereinandergelegt ist, wobei die Nichtüber- lappungsbereiche, die Zweifachüberlappungsbereiche und die Dreifach- überlappungsbereiche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte jeweils in Längsrichtung des Metallbands hintereinander angeordnet sind und sich über die ganze Breite des Metallbands erstrecken, die vorderen Querkanten der zweilagigen Teilflächen der Zweifachüberlappungsbereiche jeweils in eine Ausnehmung eingeformt sind, die an der hinteren Querkante des nächst benachbarten, dem Zweifachüberlappungsbereich in der Längsrichtung folgenden Nichtüberlappungsbereich durch eine sich in der Breitenrichtung erstreckende Abkantung des Metallbands gebildet sind, sodass sich die in Längsrichtung vorderen Bereiche der zweilagigen Teilflächen und die hinteren Bereiche der einlagigen Teilflächen jeweils in einem Drei- fachüberlappungsbereich überlappen, um die dreilagigen Teilflächen der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte zu bilden, und das Metallband in der zweiten Ebene im Wesentlichen ebene zweite Wärmeübergangs- Abschnitte ausbildet, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Solche Wärmetauscher-Lamellenmodule werden in Wärmetauschern, wie beispielsweise Kraftfahrzeug-Kühlern oder Heizmodulen zum Erwärmen eines Luftstroms, eingesetzt. Sie dienen dazu, Wärme von den Wärmeübergangs-Abschnitten in die fluiddurchströmbaren Wärmetauscher- Lamellen zu leiten, von denen die Wärme dann an das die Wärmetauscher-Lamellen durchströmende Fluid, nämlich eine Flüssigkeit oder ein Gas, meistens Wasser oder insbesondere Luft, abgegeben wird oder umgekehrt dem Fluid mittels der Wärmetauscher-Lamellen Wärme entzogen wird. An den Wärmeübergangs-Abschnitten sind Heizelemente (im Falle von Heizmodulen zur Luftstromerwärmung), gegebenenfalls Kühlelemente (wenn das durch die Wärmetauscher-Lamellen strömende Fluid
gekühlt werden soll) oder ihrerseits fluiddurchströmbare Kanäle (beispielsweise im Fall von Kraftfahrzeug-Kühlern) in wärmeleitendem Kontakt mit den Wärmeübergangs-Abschnitten angeordnet.
Bekannte Wärmetauscher-Lamellenmodule dieser Art verlaufen, in Draufsicht auf ihre Schmalseite, also in Breitenrichtung gesehen, in rechteckigen Mäandern oder in sinusförmigen bzw. sinusformartigen Wellen, oder aber in einer Dreiecksform, die dadurch entsteht, dass das Metallband von einem Wärmeübergangs-Abschnitt in der ersten Ebene ausgehend diagonal nach hinten zur zweiten Ebene umgelenkt wird, um dort an den vorangehenden Wärmeübergangs-Abschnitt anschließen zu können. Beispiele für die beschriebenen Formen von bekannten Wärmetauscher- Lamellenmodulen zeigen die Figuren 1 bis 3. Solche und ähnliche Wärmetauscher-Lamellenmodule sowie ihre Anwendungen sind in folgenden Druckschriften beschrieben : US 5,256,857, DE 31 19 302 AI, DE 10 2007 003 549 AI und EP 1 605 221 AI.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für Wärmetauscher-Lamellenmodule der eingangs genannten Art liegt bei elektrischen Heizmodulen zum Erwärmen eines Luftstroms, insbesondere in Fahrzeugen, mit PTC-Heiz- elementen.
PTC-Elemente sind Halbleiter-Widerstände aus Keramik, deren ohmscher Widerstand temperaturabhängig ist. Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie ist nicht linear; der Widerstand eines PTC-Heizelements sinkt mit steigender Bauteiltemperatur zunächst leicht ab, um dann bei einer charakteristischen Temperatur (sogenannte Referenztemperatur) sehr steil anzusteigen. Diese insgesamt mit positiver Steigung verlaufende Widerstands- Temperatur-Kennlinie (PTC = Positive Temperature Coefficient) führt dazu, dass ein PTC-Heizelement hinsichtlich der sich bei Stromdurchfluss einstellenden Temperatur selbstregelnde Eigenschaften aufweist.
Wenn die Bauteiltemperatur deutlich unter der Referenztemperatur liegt, weist das PTC-Heizelement einen niedrigen Widerstand auf, sodass entsprechend hohe Stromstärken durchgeleitet werden können. Wenn für eine gute Wärmeabfuhr von der Oberfläche des PTC- Heizelements gesorgt ist, wird dabei also entsprechend viel elektrische Leistung aufgenommen und als Wärme abgegeben. Steigt die Temperatur des PTC-Heizelements jedoch über die Referenztemperatur, steigt auch der elektrische PTC- Widerstand rasch an, sodass die elektrische Leistungsaufnahme auf einen sehr geringen Wert begrenzt wird. Die Bauteiltemperatur nähert sich dann einem oberen Grenzwert, der von der Wärmeabgabe an die Umgebung des PTC-Heizelements abhängig ist. Unter normalen Umgebungsbedingungen kann die Bauteiltemperatur des PTC-Heizelements also nicht über eine charakteristische höchste Temperatur ansteigen, selbst wenn im Störfall die gewollte Wärmeableitung von dem PTC-Heizelement an die Umgebung völlig unterbrochen wird.
Wegen dieser Eigenschaft sowie wegen der selbstregelnden Eigenschaft eines PTC-Heizelements, aufgrund derer die von dem PTC-Heizelement aufgenommene elektrische Leistung genau der abgegebenen thermischen Leistung entspricht, sind PTC-Heizelemente für den Einsatz in Heizungsbzw. Klimaanlagen oder bei sonstigen Anwendungen zur Luftstromerwärmung prädestiniert, insbesondere in Fahrzeugen. Bei Fahrzeugen darf nämlich aus Sicherheitsgründen auch im Störfall keine feuergefährliche Temperatur im Heizelement entstehen, wobei gleichwohl im Normalbetrieb eine hohe Heizleistung gefordert wird.
Die wärmeleitenden Wärmetauscher-Lamellen dienen als wärmeableitende Elemente, mit denen die von dem mindestens einen PTC-Heizelement erzeugte Wärme an die den Wärmeabgabebereich durchströmende Luft übertragen wird. Sie bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise aus Metall, insbesondere Kupfer, Messing oder bevorzugt Aluminium. Sie werden im Stand der Technik als umgeformtes, d.h.
z.B. gefaltetes und/oder gebogenes Lamellenband realisiert, z.B. ein mäanderförmig, rechteckförmig, z-förmig oder s-förmig zu Wärmetauscher-Lamellen gefalteter Metallband-Blechstreifen, der ein längliches Wärmetauscher-Lamellenband-Modul bildet (siehe z.B. EP 0 350 528 AI und WO 2009/087106 AI).
Elektrische Heizmodule mit PTC-Heizelementen und Wärmetauscher- Lamellenmodulen der eingangs genannten Art bestehen in der Regel aus mehreren Lagen von flächig nebeneinander angeordneten, mit ihrer Schmalseite im Luftstrom stehenden PTC-Heizelementen, die an ihren flachen Oberseiten und Unterseiten jeweils mit Kontaktflächen elektrisch kontaktiert sind. Daran angrenzend sind Wärmetauscher-Lamellenmodule wie oben beschrieben angeordnet, die ebenfalls mit ihrer Schmalseite im Luftstrom stehen und an ihrer Breitseite die Kontaktierungsfläche der PTC-Heizelemente in regelmäßigen Abständen, nämlich mit ihren Wärmeübergangs-Abschnitten, aufliegend thermisch kontaktieren. Um eine gute Wärmeableitung von den PTC-Heizelementen an die Wärmetauscher- Lamellenmodule zu erzielen, können Klebeverbindungen oder sonstige Verbindungstechniken verwendet werden; es hat sich jedoch als effizienteste Lösung durchgesetzt, die PTC-Heizelemente und die Wärmetauscher-Lamellenmodule in einen diese zu einem Heizmodul zusammenfassenden Rahmen zu setzen und innerhalb des Rahmens mindestens ein Federelement vorzusehen, der die abwechselnd angeordneten Wärmetauscher-Lamellenmodule und die Stege mit den PTC-Heizelementen aufeinander presst. Ein Beispiel für ein derartiges bekanntes elektrisches Heizmodul ist in der EP-A-0 350 528 beschrieben.
Das federbelastete Anpressen der Wärmetauscher-Lamellenmodule an die PTC-Heizelemente bzw. an deren Kontaktierungsflächen erfordert eine hohe Stabilität der im Wärmetauscher-Lamellenmodul mäanderförmig verlaufenden Wärmetauscher-Lamellen; denn der Wärmeübergang vom PTC-Heizelement in die Wärmetauscher-Lamellenmodule erfordert relativ
hohe Anpressdrücke, um effizient zu sein. Aber auch in anderen Anwendungen, wie beispielsweise in Kraftfahrzeug-Kühlern, ist eine hohe Eigenstabilität der Wärmetauscher-Lamellenmodule höchst wünschenswert.
In der WO 2009/087106 AI wurde daher ein Wärmetauscher-Lamellenmodul der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das hinsichtlich seiner Stabilität und Effizienz verbessert ist. Bei diesem bekannten Wärmetauscher-Lamellenmodul sind die Wärmeübergangs-Abschnitte in der ersten und in der zweiten Ebene jeweils gleich ausgebildet, d.h. die Wärmeübergangs-Abschnitte überdecken sowohl die erste Ebene als auch die zweite Ebene vollständig.
Obwohl dieses bekannte Wärmetauscher-Lamellenmodul bereits eine verbesserte Stabilität der Wärmetauscher-Lamellen aufweist, hat es sich in der Praxis dennoch in mancherlei Hinsicht als nachteilig erwiesen. Der wesentliche Nachteil besteht dabei in der aufwendigen Herstellung, die wegen der zahlreichen Faltungen des Metallbands in zwei vollständig überdeckten Ebenen nicht nur einen hohen Zeitaufwand, sondern insbesondere auch hohe Werkzeug kosten erfordert. Ferner ist es wünschenswert, weitere Verbesserungen hinsichtlich einer höheren Stabilität, einer verbesserten Wärmeübertragung, eines geringen Strömungswiderstandes, d.h. eines geringeren Druckverlustes und der Zerlegbarkeit eines Wärmetauschers oder elektrischen Heizmoduls in seine Bestandteile für deren getrennte Entsorgung erzielen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wärmetauscher-Lamellenmodul der eingangs genannten Art hinsichtlich einer unaufwendigeren Herstellung, insbesondere in Bezug auf niedrigere Werkzeugkosten, einer höheren Stabilität, einer verbesserten Wärmeübertragung und eines geringeren Druckverlustes zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmetauscher-Lamellenmodul mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den nebengeordneten und abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Lamellenmodul besteht also aus einem zu Wärmetauscher-Lamellen umgeformten Metallband, das in seinem gestreckten, bandförmigen, nicht umgeformten Ausgangszustand mit seiner Längsrichtung und seiner Breitenrichtung eine erste Ebene definiert, wobei das Metallband in dem Wärmetauscher-Lamellenmodul so umgeformt ist, dass es zwischen der ersten Ebene und einer zweiten Ebene, die zur ersten Ebene parallel ist, regelmäßig hin und her wechselnd verläuft, um eine Anzahl von die erste Ebene und die zweite Ebene verbindenden Wärmetauscher-Lamellen zu bilden, die in der Längsrichtung hintereinander angeordnet und mit einem Fluid durchströmbar sind, in der ersten Ebene im Wesentlichen ebene erste Wärmeübergangs- Abschnitte ausbildet, die sich in Längsrichtung aneinander reihen und die erste Ebene zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig überdecken, in der ersten Ebene in Nichtüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine einlagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte bilden, einlagig ausgebildet ist, in der ersten Ebene in Zweifachüberlappungs- bereichen, die jeweils mindestens eine zweilagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte bilden, zweilagig übereinandergelegt ist, und in der ersten Ebene in Dreifachüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine dreilagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte bilden, dreilagig übereinandergelegt ist, wobei die Nichtüberlappungs- bereiche, die Zweifachüberlappungsbereiche und die Dreifachüber- lappungsbereiche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte jeweils in Längsrichtung des Metallbands hintereinander angeordnet sind und sich über die ganze Breite des Metallbands erstrecken, die vorderen Querkanten der zweilagigen Teilflächen der Zweifachüberlappungsbereiche
jeweils in eine Ausnehmung eingeformt sind, die an der hinteren Querkante des nächst benachbarten, dem Zweifachüberlappungsbereich in der Längsrichtung folgenden Nichtüberlappungsbereich durch eine sich in der Breitenrichtung erstreckende Abkantung des Metallbands gebildet sind, sodass sich die in Längsrichtung vorderen Bereiche der zweilagigen Teilflächen und die hinteren Bereiche der einlagigen Teilflächen jeweils in einem Dreifachüberlappungsbereich überlappen, um die dreilagigen Teilflächen der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte zu bilden, und das Metallband in der zweiten Ebene im Wesentlichen ebene zweite Wärmeübergangs- Abschnitte ausbildet, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, und weist die Besonderheit auf, dass die zweite Ebene nur teilweise mit zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten überdeckt ist und zwischen den zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten jeweils nicht durch zweite Wärmeübergangs-Abschnitte überdeckte offene Abschnitte aufweist, sodass die zweite Ebene als alternierende Folge von zweiten Wärmeübergangs- Abschnitten und offenen Abschnitten ausgebildet ist.
Ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Lamellenmodul ist stabil, weil das Metallband, aus dem das Wärmetauscher-Lamellenmodul besteht, auf einer Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte zweilagig übereinanderlegt ist, wobei sich die hierdurch entstehende zweilagige Teilfläche und eine gegebenenfalls verbleibende einlagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte über die ganze Breite des Metallbandes erstrecken und in Längsrichtung des Metallbandes hintereinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass das Metallband nach der Ausbildung eines Wärmeübergangs-Abschnitts nicht von diesem direkt ausgehend, eine Wärmetauscher-Lamelle bildend zur anderen Ebene hinüberwechselt, sondern zunächst vollständig umgebogen und eine zweite Lage des Wärmeübergangs-Abschnitts bildend wieder rückwärts verläuft, bis es am hinteren Ende dieser zweilagigen Teilfläche, vorzugsweise etwa nach der Hälfte der Längsausdehnung des Wärmeübergangs-Abschnitts, nach unten abgebogen wird und eine Wärmetauscher-Lamelle ausbildend zur
anderen Ebene hinüberwechselt, wo es wiederum nach vorne abgebogen wird und die einlagige Teilfläche oder Fläche eines dortigen Wärmeübergangs-Abschnitts bildet. Der Verlauf der Wärmetauscher-Lamellen ist dabei bevorzugt im Wesentlichen orthogonal zur ersten und zweiten Ebene des Wärmetauscher-Lamellenmoduls, jedoch muss dies nicht so sein und hängt insbesondere von der gewollten zweilagigen Überdeckung der Wärmeübergangs-Abschnitte ab.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist vorgesehen, dass die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (2) auf 30% bis 70%, vorzugsweise 40% bis 60% der Längsrichtung (x) zweilagig ausgebildet sind. Dadurch können besonders stabile Ausführungsformen gebildet werden.
Ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Lamellenmodul ist ferner sehr stabil, weil das Metallband, aus dem das Wärmetauscher-Lamellenmodul besteht, in der ersten Ebene in Dreifachüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine dreilagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs- Abschnitte bilden, dreilagig übereinandergelegt ist, wobei sich die hierdurch entstehende dreilagige Teilfläche und eine gegebenenfalls verblei- bende einlagige Teilfläche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte über die ganze Breite des Metallbandes erstrecken und in Längsrichtung des Metallbandes hintereinander angeordnet sind. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass das Metallband von der zweiten Ebene zur ersten Ebene hin umgebördelt ist und aus der zweiten Ebene herausführend und eine zweite Wärmetauscher-Lamelle bildend zur ersten Ebene hin verlaufend abgebogen ist, und sodann in der ersten Ebene wiederum in Längsrichtung nach vorn abgebogen ist, um einen dreilagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitt in der ersten Ebene zu bilden. Um hohe Stabilitäten und Wärmeleitfähigkeiten zu erzielen, ist es dabei vorteilhaft, wenn sich der Dreifachüberlappungsbereich nicht auf die unmittelbare Umgebung der Abkantung beschränkt, sondern über eine
gewisse Ausdehnung in Längsrichtung erstreckt. Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist dementsprechend vorgesehen, dass die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte auf 30% bis 70%, vorzugsweise 40% bis 60% der Längsrichtung dreilagig ausgebildet sind. Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte auf weniger als 10% der Längsrichtung, vorzugsweise nur im Bereich der Abkantung einlagig ausgebildet sind, so dass die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte im Wesentlichen aus einer Folge von zwei- und dreilagi- gen Teilflächen bestehen, wobei zwischen benachbarten zwei- und dreila- gigen Teilflächen nur oder nur im Wesentlichen im Bereich der Abkantung eine einlagige Teilfläche bilden, in der das Metallband in einem einflächigen Verlauf von der einen Seite der ersten Ebene zu der anderen Seite der ersten Ebene wechselt.
Die teilweise zweitägige und dreilagige Ausbildung der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte in der ersten Ebene führt zu einer hohen Stabilität derselben. Gleichzeitig ist es durch diese Ausbildung der Wärmetauscher- Lamellenmodule möglich, die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte direkt aneinandergrenzend hintereinander aufzureihen und trotzdem Wärmetauscher-Lamellen auszubilden, die orthogonal zur Ebene der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte verlaufen und somit einer Kraft, die die erste Ebene gegen die zweite Ebene zu drücken sucht, maximalen Widerstand bieten. Gleichzeitig sind die Wärmetauscher-Lamellenmodule durch eine rein mechanische Umformung oder Kaltumformung aus einem Metallband herstellbar. Das Metallband kann aus jedem geeigneten Material mit guter Wärmeleitung z.B. Aluminium, Messing oder Kupfer gefertigt sein.
Unter "erster Ebene" und "zweiter Ebene" sind im Übrigen bei der vorliegenden Erfindung nicht in jedem Fall Ebenen im mathematischen Sinne zu verstehen. Vielmehr können diese "Ebenen" auch entlang einer gebogenen Fläche mit einem relativ großen Biegeradius verlaufen, um beispielsweise eine kreisförmige Anordnung von mehreren Wärmetau-
scher-Lamellenmodulen anstatt einer streng zeilenartigen Anordnung zu ermöglichen. Ferner sind diese "Ebenen" nicht zwangsläufig im mathematischen Sinn ohne Dicke, sondern können eine bestimmte, durch die Materialstärke des Metallbands und seine zwei- und dreilagige Ausbildung gegebene, von Null verschiedene Dicke aufweisen.
Die Eigenstabilität des Wärmetauscher-Lamellenmoduls ist ferner dadurch hoch, dass in eine von den zweilagigen Teilflächen abgewandte hinteren Querkante der einlagigen Teilfläche jedes ersten Wärmeübergangs- Abschnitts eine Ausnehmung zur Aufnahme einer von der einlagigen Teilfläche abgewandten Vorderkante der zweilagigen Teilfläche des nächst benachbarten ersten Wärmeübergangs-Abschnitts eingeformt ist, sodass sich benachbarte erste Wärmeübergangs-Abschnitte in Längsrichtung insoweit überlappen können. Dabei sind also die vorderen Querkanten der zweilagigen Teilflächen der Zweifachüberlappungsbereiche jeweils in eine Ausnehmung eingeformt, die an der hinteren Querkante des nächst benachbarten, dem Zweifachüberlappungsbereich in der Längsrichtung folgenden Nichtüberlappungsbereich durch eine sich in der Breitenrichtung erstreckende Abkantung des Metallbands gebildet sind, sodass sich die in Längsrichtung vorderen Bereiche der zweilagigen Teilflächen und die hinteren Bereiche der einlagigen Teilflächen jeweils in einem Dreifach- überlappungsbereich überlappen, um die dreilagigen Teilflächen der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte zu bilden.
Überraschenderweise hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass sowohl eine hohe Stabilität als auch eine gute Wärmeleitung eines erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmoduls erzielt wird, auch wenn das Metallband in der zweiten Ebene nur teilweise mit zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten überdeckt ist, selbst wenn diese nur einlagig ausgebildet sind, und zwischen den zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten jeweils nicht durch zweite Wärmeübergangs-Abschnitte überdeckte offene Abschnitte aufweist, so dass die zweite Ebene als alternierende Folge von
zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten und offenen Abschnitten ausgebildet ist. Durch die offenen Bereiche werden große Vorteile in der Fertigung erzielt. Insbesondere das Werkzeug zum Umformen des Metallbandes kann wesentlich günstiger hergestellt werden. Ferner sind weniger Faltungen erforderlich, so dass eine schnellere Fertigung möglich ist, und zudem ermöglichen die offenen Abschnitte, in diese und zwischen die Wärmetauscher-Lamellen ein Presswerkzeug einzuführen, mit dem in der ersten Ebene übereinander liegende Teilflächen der Wärmeübergangs-Abschnitte mit hohem Druck zusammengepresst werden können, um eine hohe Stabilität und einen guten Wärmeübergang zu erzielen.
Ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Lamellenmodul kann noch optimiert werden, wenn die Vorderkanten der zweilagigen Teilflächen der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte an die Ausnehmungen der hinteren Querkanten der einlagigen Teilflächen jeweils benachbarter Wärmeübergangs-Abschnitte angepresst sind, und zwar in der Weise, dass die Anpressung fluiddicht ist. Diese Fluiddichtheit ermöglicht, dass das Wärmetauscher-Lamellenmodul insbesondere auch mit Flüssigkeiten durchströmbar ist, ohne dass diese aus dem Wärmetauscher-Lamellenmodul seitlich austreten können. Das Wärmetauscher-Lamellenmodul bildet also zwischen den einzelnen Wärmetauscher-Lamellen dann fluid- dichte Kanäle.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Wärmetauscher-Lamellenmodul durch ein Metallband gebildet, das so umgeformt ist, dass es zur Ausbildung eines einlagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitts und die Abkantung bildend schräg zur ersten Ebene verläuft, dann in der ersten Ebene in Längsrichtung nach vorn verläuft, sofern der einlagige erste Wärmeübergangs-Abschnitt nicht nur im Bereich der Abkantung ausgebildet ist, dann an einer Vorderkante zur zweiten Ebene hin umgebördelt ist und, an dem Wärmeübergangs-Abschnitt aufliegend, eine zweilagige Teilfläche desselben bildend, entgegen der Längsrichtung zurückgeführt ist, bis es
aus der ersten Ebene herausführend und eine Wärmetauscher-Lamelle bildend zur zweiten Ebene hin verlaufend abgebogen ist, und sodann in der zweiten Ebene wiederum in Längsrichtung nach vorn abgebogen ist, um einen zweiten Wärmeübergangs-Abschnitt in der zweiten Ebene zu bilden, wo es dann an einer zweiten Vorderkante zur ersten Ebene hin umgebördelt ist und aus der zweiten Ebene herausführend und eine zweite Wärmetauscher-Lamelle bildend zur ersten Ebene hin verlaufend abgebogen ist, und sodann in der ersten Ebene wiederum in Längsrichtung nach vorn abgebogen ist, um einen dreilagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitt in der ersten Ebene zu bilden, um sodann wieder zur Ausbildung eines einlagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitts und die Abkantung bildend schräg zur ersten Ebene verläuft, usw. Dementsprechend unkompliziert ist die maschinelle Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmoduls aus einem handelsüblichen Metallband.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in die Wärmetauscher-Lamellen wie in der WO 2009/087106 AI im Wesentlichen quer und/oder im Wesentlichen längs zur Fluidströmung gerichtete Sicken eingeformt sind, um eine bessere Verwirbelung des durch die Wärmetauscher-Lamellen hindurch strömenden Fluids zu bewirken. Eine solche Verwirbelung im Lamellenbereich erhöht den Wärmeübergang von den Wärmetauscher-Lamellen in das Fluid (und umgekehrt). Zum gleichen Zweck können die Wärmetauscher-Lamellen wie in der WO 2009/087106 AI auch mit im Wesentlichen quer zur Fluidströmung gerichteten Ausbrechungen versehen sein. Diese können besonders einfach in die Wärmetauscher-Lamellen eingebracht werden. Die Wärmetauscher-Lamellen des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmoduls können schließlich wie in der WO 2009/087106 AI mit fluid- strömungsleitenden Ausbiegungen versehen sein, um den durch die Wärmetauscher-Lamellen hindurch führenden Fluidstrom abzulenken.
Ein Wärmetauscher-Lamellenmodul nach der vorliegenden Erfindung kann in allen Arten von Wärmetauschern eingesetzt werden. Eine besonders bevorzugte Anwendung besteht in elektrischen Heizmodulen zum Erwärmen eines Luftstroms, die mindestens ein PTC-Heizelement und mindestens einen daran angrenzenden, luftdurchströmbaren Wärmeabgabebereich umfassen. In diesem Wärmeabgabebereich ist erfindungsgemäß dann mindestens ein Wärmetauscher-Lamellenmodul angeordnet, welches mit dem PTC-Heizelement in Wirkverbindung, d.h. in wärmeleitender Verbindung steht und die Wärme von diesem in den durch das Wärmetauscher-Lamellenmodul streichenden Luftstrom abgibt.
Ein sehr guter Wärmeübergang vom PTC-Heizelement in das Wärmetauscher-Lamellenmodul und dort in die Wärmeübergangs-Abschnitte ist aufgrund der Eigenheit des PTC-Heizelements von besonderer Wichtigkeit; denn dieses nimmt dann besonders viel elektrische Leistung auf und setzt diese in Wärme um, wenn es selbst auf niedriger Temperatur gehalten wird, die von ihm erzeugte Wärme also schnell und vollständig abgeleitet wird. Der Wärmeübergang zwischen dem PTC-Heizelement und einem Wärmetauscher-Lamellenmodul ist erfahrungsgemäß dann am besten, wenn das Wärmetauscher-Lamellenmodul an die Oberfläche des PTC- Heizelements angepresst wird. Die außerordentlich hohe Eigenstabilität des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmoduls ist daher gerade in diesem Anwendungsbereich von großem Vorteil.
Da PTC-Heizelemente üblicherweise plattenförmig ausgeformt sind, wird ein elektrisches Heizmodul zweckmäßigerweise so ausgestaltet, dass jeweils mindestens ein PTC-Heizelement zwischen zwei erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmodulen angeordnet ist, die mit ihren Wärmeübergangs-Abschnitten direkt oder indirekt auf dem PTC-Heizelement aufliegen. Somit wird zum einen die im PTC-Heizelement erzeugte Wärme beidseits in den Luftstrom abgeführt, was die Effizienz des Heizmoduls erhöht, und zum anderen kann das PTC-Heizelement dann ganz einfach
über die beiden Wärmetauscher-Lamellenmodule elektrisch kontaktiert werden.
Zwischen dem PTC-Heizelement und den Wärmetauscher-Lamellenmodulen kann jeweils ein metallisches Kontaktelement angeordnet sein. Dieses dient dann nicht nur zur elektrischen Kontaktierung, sondern auch für eine mechanische Druckverteilung, um Belastungsspitzen auf dem PTC- Heizelement zu vermeiden. Soweit die PTC-Heizelemente sich nicht über die gesamte Fläche der Wärmeübergangs-Abschnitte der Wärmetauscher- Lamellenmodule erstrecken, sondern demgegenüber kleiner ausgebildet sind, gewährleisten solche zwischenliegenden metallischen Kontaktelemente außerdem eine gleichmäßigere Wärmeverteilung in die Wärmetauscher-Lamellenmodule. Ferner kann zwischen dem PTC-Heizelement und einem daran angrenzenden Lamellenband-Modul noch ein sogenanntes Auflageelement angeordnet sein, das elektrisch und thermisch leitend ist, d.h. vorzugsweise aus Metall besteht, und insbesondere der mechanischen Anpassung und der Verteilung von Kräften dient.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizmoduls besteht schließlich darin, dass das PTC-Heizelement nicht als plattenförmiges Gebilde, sondern als fluiddurchströmbares Rohr ausgebildet ist. In diesem Fall kann das PTC-Heizelement dann nicht nur einen Luftstrom mittels der Wärmetauscher-Lamellenmodule erwärmen, sondern auch einen durch das PTC-Heizelement fließenden weiteren Fluid- strom, insbesondere Flüssigkeitsstrom. Bei Bedarf kann aus einem solchen elektrischen Heizmodul sogar ein Kühlaggregat für durchgeleitete Luft werden, und zwar dann, wenn das PTC-Heizelement ausgeschaltet und ein Kühlfluid durch dieses hindurchgeleitet wird.
Gegenüber bekannten Wärmetauscher-Lamellenmodulen, insbesondere einem gemäß der WO 2009/087106 AI mit Wärmeübergangs-Abschnitten, die in der ersten und in der zweiten Ebene jeweils gleich ausgebildet
sind, so dass die Wärmeübergangs-Abschnitte sowohl die erste Ebene als auch die zweite Ebene vollständig überdecken, hat ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Lamellenmodul zusammengefasst folgende Vorteile: Es hat eine hohe Eigenstabilität, eine gute Wärmeübertragung, einen geringen Strömungswiderstand und einen geringen Druckverlust. Ein besonderer Vorteil liegt in der unaufwendigen und effizienten Herstellung mit geringem Zeitaufwand und niedrigen Werkzeug kosten durch Verwendung eines günstigen Werkzeugs zum Umformen des Metallbandes, weniger erforderlichen Faltungen des Metallbandes und insbesondere der Möglichkeit, in die offenen Abschnitte in der zweiten Ebene und zwischen die Wärmetauscher-Lamellen ein Presswerkzeug einzuführen, mit dem in der ersten Ebene übereinander liegende Teilflächen der Wärmeübergangs- Abschnitte mit hohem Druck zusammengepresst werden können, um eine hohe Stabilität und einen guten Wärmeübergang zu erzielen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines rechteckförmig umgeformten Wärmetauscher-Lamellenmoduls nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines z-förmig umgeformten
Wärmetauscher-Lamellenmoduls nach dem Stand der Technik,
Figur 3 eine schematische Seitenansicht eines s-förmig umgeformten
Wärmetauscher-Lamellenmoduls nach dem Stand der Technik,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines ersten Wärmetauscher- Lamellenmoduls gemäß der WO 2009/087106 AI,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Wärmetauscher- Lamellenmoduls gemäß der WO 2009/087106 AI,
Figur 6 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmoduls,
Figur 7 eine Seitenansicht zu Figur 6,
Figur 8 eine Einzelheit zu Figur 7,
Figur 9 eine Ansicht A-A zu Figur 8,
Figur 10 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen elektrischen Heizmoduls,
Figur 11 eine perspektivische Ansicht eines zweiten erfindungsgemäßen elektrischen Heizmoduls und
Figur 12 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen elektrischen Heizmoduls.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematische Seitenansichten von drei Beispielen von Wärmetauscher-Lamellenmodulen 1 nach dem Stand der Technik. Sie bestehen aus einem zu Wärmetauscher-Lamellen 2 umgeformten Metallband 3, das in seinem gestreckten, bandförmigen, nicht umgeformten Ausgangszustand mit seiner Längsrichtung x und seiner Breitenrichtung y eine erste Ebene A definiert, wobei das Metallband 3 in dem Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 so umgeformt ist, dass es zwischen der ersten Ebene A und einer zweiten Ebene B, die zur ersten Ebene A parallel ist, regelmäßig hin und her wechselnd verläuft, um eine Anzahl von die erste Ebene A und die zweite Ebene B verbindenden Wärmetauscher- Lamellen 2 zu bilden, die in der Längsrichtung x hintereinander angeordnet und mit einem Fluid durchströmbar sind. Das Metallband 3 bildet in der ersten Ebene A erste Wärmeübergangs-Abschnitte 4 und in der zweiten Ebene B zweite Wärmeübergangs-Abschnitte 5.
Bei dem Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 von Figur 1 sind die Wärmetauscher-Lamellen 2 in rechteckigen Mäandern ausgeformt, wodurch sowohl die Stabilität als auch die Gesamtfläche der Wärmeübergangs-
Abschnitte 4, 5 nicht optimal sind. Das Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 von Figur 2 weist eine z-förmige oder dreieckige Faltung der Wärmetauscher-Lamellen 2 auf, was zwar die Überdeckung der Ebenen A und B durch die Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 optimiert, jedoch hinsichtlich seiner Eigenstabilität verbesserungsfähig ist. Das Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 von Figur 3 weist s-förmige bzw. sinusartig geformte Wärmetauscher-Lamellen 2 auf, was wiederum der Eigenstabilität abträglich ist. In allen Fällen sind die erste Ebene A und die zweite Ebene B gleich ausgebildet. Der Strömungswiderstand für das in der y-Richtung zwischen den Wärmetauscher-Lamellen 2 hindurchströmende Fluid ist bei der Ausführungsform von Figur 3 größer als bei Figur 2 und bei Figur 2 größer als bei Figur 1.
In der Figur 4 ist ein verbessertes Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht dargestellt. Es ist aus einem Metallband 3 gefertigt, das zwischen einer ersten Ebene A und einer zweiten Ebene B hin und herwechselt und hierdurch in der ersten Ebene A erste Wärmeübergangs-Abschnitte 4 und in der zweiten Ebene B zweite Wärmeübergangs-Abschnitte 5 bildet, während die Verbindungsstücke zwischen den Ebenen A und B senkrecht stehende Wärmetauscher- Lamellen 2 bilden. Das Metallband 3 ist hierbei so umgeformt worden, dass es zur Ausbildung eines ersten Wärmeübergangs-Abschnitts 4 in der ersten Ebene A liegt, wobei es eine einlagige Teilfläche 6 des ersten Wärmeübergangs-Abschnitts 4 bildet, dann an einer Vorderkante 7 zur zweiten Ebene B hin umgebördelt und auf dem ersten Wärmeübergangs- Abschnitt 4 aufliegend, eine zweilagige Teilfläche 8 bildend, entgegen einer Längsrichtung x zurückgeführt wurde, bis es aus der ersten Ebene A herausführend und eine Wärmetauscher-Lamelle 2 bildend zur zweiten Ebene B hin verlaufend abgebogen wurde, und sodann in der zweiten Ebene B in Längsrichtung x nach vorne - in der Darstellung also nach rechts - verlaufend abgebogen ist, um einen folgenden einlagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitt 4 in der zweiten Ebene B zu bilden.
In der zweiten Ebene B ist das Metallband 3 dann wiederum an einer Vorderkante 7 zur Ebene A hin umgebördelt und, auf dem zweiten Wärmeübergangs-Abschnitt 5 aufliegend, eine zweilagige Teilfläche 8 bildend, zurückgeführt worden, bis es aus der zweiten Ebene B herausgeführt und eine weitere Wärmetauscher-Lamelle 2 bildend zur ersten Ebene A hin verlaufend abgebogen ist, usw. Die Vorderkanten 7 der ersten und zweiten Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 liegen hierbei jeweils an hinteren Querkanten 9 der jeweils benachbarten Wärmeübergangs-Abschnitte an, sodass sich im Wesentlichen, wie Figur 4 verdeutlicht, sowohl in der ersten Ebene A als auch in der zweiten Ebene B eine geschlossene Fläche an aneinandergereihten ersten Wärmeübergangs-Abschnitten 4 bzw. zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten 5 ausbildet. Da die Wärmetauscher-Lamellen 2 orthogonal zu den Ebenen A und B verlaufen und die im Wesentlichen geschlossene Ausbildung der Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 gewünscht ist, ergibt sich aus geometrischen Notwendigkeiten, dass die Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 jeweils etwa zur Hälfte zweitägig und zur anderen Hälfte einlagig ausgebildet sind. Für das dargestellte Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 ergibt sich eine gute Stabilität, insbesondere in einer zu den Ebenen A und B senkrechten Richtung.
In Figur 5 ist ein weiter verbessertes Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Unterschied dieser Ausführungsform zu derjenigen der Figur 4 besteht darin, dass die Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 nicht mehr nur aneinandergereiht sind, sondern sich geringfügig überlappen, wobei sich in dem Überlappungsbereich in Längsrichtung x kurze dreilagige Abschnitte bzw. dreilagige Teilflächen 10 ergeben. Die einlagigen Teilflächen 6 der Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 sind jeweils mit einer Ausnehmung 11 versehen, die der Vorderkante 7 des nächst benachbarten Wärmeübergangs- Abschnitts 4, 5 angepasst ist. Die Ausnehmungen 11 werden durch sich in der Breitenrichtung y erstreckende Abkantungen 12 des Metallbands 3
gebildet und im Bereich einer Abkantung 12 verläuft das Metallband 3 einlagig von der einen zu der anderen Seite der von den Wärmeübergangs-Abschnitten 4, 5 gebildeten Ebenen A, B.
Weil die einlagigen Teilflächen 6 der Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 jeweils mit einer Ausnehmung 11 versehen sind, die der Vorderkante 7 des nächst benachbarten Wärmeübergangs-Abschnitts 4, 5 angepasst ist, kann dieser ein kurzes Stück weit in die einlagige Teilfläche 6 des Wärmeübergangs-Abschnitts 4, 5 hineinreichen und die Wärmeübergangs- Abschnitte 4, 5 bilden trotzdem im Wesentlichen eine ebene Fläche in den Ebenen A, B. Demgemäß sind die zweilagige Teilfläche 8 und die einlagige Teilfläche 6 jedes Wärmeübergangs-Abschnitts 4, 5 nicht gleich groß, da die Wärmetauscher-Lamellen 2 hier wiederum senkrecht auf den Ebenen A und B stehen. Die Vorderkanten 7 der Wärmeübergangs-Abschnitte 4, 5 sind so in die Ausnehmungen 11 eingepresst, dass sich eine fluiddichte Verbindung ergibt. Die Zwischenräume zwischen den Wärmetauscher- Lamellen 2 bilden also fluiddichte Kanäle.
Bei den bekannten Wärmetauscher-Lamellenmodulen 1 gemäß den Figuren 4 und 5 ist die erste Ebene A jeweils identisch zu der zweiten Ebene B ausgebildet und die zweiten Wärmeübergangs-Abschnitte 5 überdecken die zweite Ebene B vollständig.
Die Figuren 6 und 7 zeigen ein Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmoduls 1, Figur 6 in einer perspektivischen Ansicht und Figur 7 in einer Seitenansicht. Die erste Ebene A mit den ersten Wärmeübergangs-Abschnitten 4 entspricht in ihrem Aufbau dabei derjenigen der Ebene A des Wärmetauscher-Lamellenmoduls 1 von Figur 5 mit folgenden zwei Unterschieden. Zum einen sind die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte 4 nicht nur im unmittelbaren Bereich der Ausnehmungen 11 dreilagig ausgebildet, sondern die dreilagige Ausbildung erstreckt sich über einen längeren Bereich in Längsrichtung x, beispiels-
weise auf 30% bis 70%, vorzugsweise 40% bis 60% der Längsrichtung x der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte 4 bzw. der Länge des Wärmetauscher-Lamellenmoduls 1. Zum anderen sind die ersten Wärmeübergangs- Abschnitte 4 gemäß der dargestellten bevorzugten Weiterbildung auf weniger als 10% der Längsrichtung x der ersten Wärmeübergangs- Abschnitte 4 bzw. der Länge des Wärmetauscher-Lamellenmoduls 1, vorzugsweise nur im Bereich der Abkantung 12 einlagig ausgebildet. Beide Unterschiede erhöhen im Vergleich zu der bekannten Ausbildung sowohl die Stabilität als auch die Wärmeleitung.
Ein besonders auffälliger Unterschied zwischen dem Stand der Technik gemäß Figur 5 und einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 gemäß den Figuren 6 und 7 zeigt sich jedoch in der Ausbildung der zweiten Ebene B mit den zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten 5. Die zweite Ebene B ist nur teilweise mit zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten 5 überdeckt und weist zwischen den zweiten Wärmeübergangs- Abschnitten 5 jeweils nicht durch zweite Wärmeübergangs-Abschnitte 5 überdeckte offene Abschnitte 13 auf, sodass die zweite Ebene B als alternierende Folge von zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten 5 und offenen Abschnitten 13 ausgebildet ist. Durch die offenen Abschnitte 13 kann das erfindungsgemäße Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 mit sehr günstigen Werkzeugkosten hergestellt werden, wobei gleichwohl sowohl eine hohe Stabilität als auch gute Wärmeleitungseigenschaften erzielt werden. Ferner können bei der Herstellung des Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 leicht durch die offenen Abschnitte 13 Werkzeuge zwischen die Wärmetauscher-Lamellen 2 eingeführt werden, beispielsweise ein Presswerkzeug zum Zusammenpressen der mehrlagigen ersten Wärmeübergangs- Abschnitte 4. Dadurch wird eine günstige und hochqualitative Fertigung ermöglicht.
Nach einem weiteren vorteilhaftem Merkmal können wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt die zweiten Wärmeübergangs-Abschnitte 5 einlagig
ausgebildet sein. Dies vereinfacht die Herstellung des Wärmetauscher- Lamellenmoduls 1 und ermöglicht einen guten Wärmeübergang in diesem Bereich über nur eine Materialdicke. Ferner kann aus konstruktiven Gründen und zur Vereinfachung der Herstellung wie dargestellt vorgesehen sein, dass die Länge (gemessen in Längsrichtung x) der zweiten Wärmeübergangs-Abschnitte 5 der Länge (gemessen in Längsrichtung x) der zweilagigen Teilflächen 8 der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte 4 entspricht. Aus demselben Grund kann vorgesehen sein, dass wie dargestellt die Länge (gemessen in Längsrichtung x) der offenen Abschnitte 13 der zweiten Ebene B der Länge (gemessen in Längsrichtung x) der dreilagigen Teilflächen 10 der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte 4 entspricht.
Zur Erhöhung der Stabilität des Wärmetauscher-Lamellenmoduls 1 kann vorgesehen sein, dass in Kanten des Metallbands 3, die von zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten 5 und von Wärmetauscher-Lamellen 2 gebildet werden, im Wesentlichen senkrecht zum Metallband 3 gerichtete Sicken 14 eingeformt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 6 und 7 ist in jeweils eine solche Kante jeweils eine Sicke 14 eingeformt, und zwar etwa in der Mitte der sich in der Breitenrichtung y erstreckenden Kanten. Die Sicken 14 werden in den Figuren 8 und 9 nochmals vergrößert veranschaulicht. Es wird deutlich, dass es insbesondere durch die erfindungsgemäß vorhandenen offenen Abschnitte 13 ermöglicht wird, bei der Herstellung eines Wärmetauscher-Lamellenmoduls 1 aus einem Metallband 3 solche Sicken 14 in die Kanten einzuformen.
Die Figur 10 zeigt in einer schematischen perspektivischen Explosionsdarstellung ein Beispiel eines elektrischen Heizmoduls 15. Es umfasst eine Wärmetauscher-Anordnung von zwei Wärmetauscher-Lamellenmodulen 1 der Bauart, wie sie in den Figuren 6 bis 9 dargestellt ist. Zwei Wärmetauscher-Lamellenmodule 1 sind übereinander angeordnet. Durch den zwischen ihnen verbleibenden Zwischenraum könnte in anderen Anwendungen ein Fluid hindurchgeleitet werden kann. Im vorliegenden Fall ist hier
ein Heizelement, nämlich ein PTC-Heizelement 16 eingesetzt, das in zusammengebautem Zustand des Heizmoduls 15 in elektrischer und wärmeleitender Verbindung zu den ersten Wärmeübergangs-Abschnitten 4 der beiden Wärmetauscher-Lamellenmodule 1 steht, von diesen Strom aufnimmt und an diese Wärme abgibt. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, zwischen die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte 4 der beiden Wärmetauscher-Lamellenmodule 1 und das PTC-Heizelement 16 jeweils ein plattenförmiges Element, beispielsweise ein metallisches Kontaktelement 17 und/oder ein Auflageelement 18 einzufügen.
Die Figur 11 zeigt eine Abwandlung zu Figur 10 mit drei übereinander angeordneten Wärmetauscher-Lamellenmodulen 1. Die Figur 12 zeigt eine weitere Abwandlung zu Figur 10 mit zwei in der Strömungsrichtung des erwärmten Fluids, die der Breitenrichtung y entspricht, hintereinander angeordneten Wärmetauscher-Lamellenmodulen 1 auf der einen Seite der zwei PTC-Heizelemente 16 und einem größeren gemeinsamen Wärmetauscher-Lamellenmodul 1 auf der anderen Seite der zwei PTC-Heizelemente 16.
Bezugszeichenliste
1 Wärmetauscher-Lamellenmodul
2 Wärmetauscher-Lamelle
3 Metallband
4 erste Wärmeübergangs-Abschnitte
5 zweite Wärmeübergangs-Abschnitte
6 einlagige Teilfläche
7 Vorderkante
8 zweilagige Teilfläche
9 Querkante
10 dreilagige Teilfläche
11 Ausnehmung
12 Abkantung
13 offener Abschnitt
14 Sicke
15 elektrisches Heizmodul
16 PTC-Heizelement
17 Kontaktelement
18 Auflageelement
A erste Ebene
B zweite Ebene
X Längsrichtung
y Breitenrichtung
Claims
Patentansprüche
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1), bestehend aus einem zu Wärmetauscher-Lamellen (2) umgeformten Metallband (3), das in seinem gestreckten, bandförmigen, nicht umgeformten Ausgangszustand mit seiner Längsrichtung (x) und seiner Breitenrichtung (y) eine erste Ebene (A) definiert, wobei das Metallband (3)
in dem Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) so umgeformt ist, dass es zwischen der ersten Ebene (A) und einer zweiten Ebene (B), die zur ersten Ebene (A) parallel ist, regelmäßig hin und her wechselnd verläuft, um eine Anzahl von die erste Ebene (A) und die zweite Ebene (B) verbindenden Wärmetauscher-Lamellen (2) zu bilden, die in der Längsrichtung (x) hintereinander angeordnet und mit einem Fluid durchströmbar sind,
in der ersten Ebene (A) im Wesentlichen ebene erste Wärmeübergangs-Abschnitte (4) ausbildet, die sich in Längsrichtung (x) aneinander reihen und die erste Ebene (A) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig überdecken,
in der ersten Ebene (A) in Nichtüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine einlagige Teilfläche (6) der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) bilden, einlagig ausgebildet ist,
in der ersten Ebene (A) in Zweifachüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine zweilagige Teilfläche (8) der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) bilden, zweilagig übereinandergelegt ist, und
in der ersten Ebene (A) in Dreifachüberlappungsbereichen, die jeweils mindestens eine dreilagige Teilfläche (10) der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) bilden, dreilagig übereinandergelegt ist, wobei die Nichtüberlappungsbereiche, die Zweifachüberlappungs- bereiche und die Dreifachüberlappungsbereiche der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) jeweils in Längsrichtung (x) des Metallbands (3) hintereinander angeordnet sind und sich über die ganze Breite des Metallbands (3) erstrecken,
die vorderen Querkanten (9) der zweilagigen Teilflächen (8) der Zweifachüberlappungsbereiche jeweils in eine Ausnehmung (11) eingeformt sind, die an der hinteren Querkante (9) des nächst benachbarten, dem Zweifachüberlappungsbereich in der Längsrichtung (x) folgenden Nichtüberlappungsbereich durch eine sich in der Breitenrichtung (y) erstreckende Abkantung (12) des Metallbands (3) gebildet sind, sodass sich die in Längsrichtung (x) vorderen Bereiche der zweilagigen Teilflächen (8) und die hinteren Bereiche der einlagigen Teilflächen (6) jeweils in einem Dreifachüberlappungsbereich überlappen, um die dreilagigen Teilflächen (10) der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) zu bilden, und
das Metallband (3) in der zweiten Ebene (B) im Wesentlichen ebene zweite Wärmeübergangs-Abschnitte (5) ausbildet, die in Längsrichtung (x) hintereinander angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
die zweite Ebene (B) nur teilweise mit zweiten Wärmeübergangs- Abschnitten (5) überdeckt ist und zwischen den zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten (5) jeweils nicht durch zweite Wärmeübergangs- Abschnitte (5) überdeckte offene Abschnitte (13) aufweist, sodass die zweite Ebene (B) als alternierende Folge von zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten (5) und offenen Abschnitten (13) ausgebildet ist.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) auf weniger als 10% der Längsrichtung (x), vorzugsweise nur im Bereich der Abkantung (12) einlagig ausgebildet sind.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) auf 30% bis 70%, vorzugsweise 40% bis 60% der Längsrichtung (x) zweilagig ausgebildet sind.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) auf 30% bis 70%, vorzugsweise 40% bis 60% der Längsrichtung (x) dreilagig ausgebildet sind.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten (7) der zweilagigen Teilflächen (8) der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) im Wesentlichen fluiddicht an die Ausnehmungen (11) der hinteren Querkanten (9) der einlagigen Teilflächen (6) jeweils benachbarter erster Wärmeübergangs-Abschnitte (4) angepresst sind.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Wärmeübergangs-Abschnitte (5) einlagig ausgebildet sind.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der zweiten Wärmeübergangs-Abschnitte (5) der Länge der zweilagigen Teilflächen (8) der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) entspricht.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der offenen Abschnitte (13) der zweiten Ebene (B) der Länge der dreilagigen Teilflächen (10) der ersten Wärmeübergangs-Abschnitte (4) entspricht.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Kanten des Metallbands (3), die von zweiten Wärmeübergangs-Abschnitten (5) und von Wärmetauscher-Lamellen (2) gebildet werden, im Wesentlichen senkrecht zum Metallband (3) gerichtete Sicken (14) eingeformt sind.
Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (3) so umgeformt ist, dass es zur Ausbildung eines einlagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitts (4) und die Abkantung (12) bildend schräg zur ersten Ebene (A) verläuft, dann in der ersten Ebene (A) in Längsrichtung (x) nach vorn verläuft, sofern der einlagige erste Wärmeübergangs-Abschnitt (4) nicht nur im Bereich der Abkantung (12) ausgebildet ist, dann an einer Vorderkante (7) zur zweiten Ebene (B) hin umgebördelt ist und, an dem Wärmeübergangs-Abschnitt (4) aufliegend, eine zweilagige Teilfläche (8) desselben bildend, entgegen der Längsrichtung (x) zurückgeführt ist, bis es aus der ersten Ebene (A) herausführend und eine Wärmetauscher-Lamelle (2) bildend zur zweiten Ebene (B) hin verlaufend abgebogen ist, und sodann in der zweiten Ebene (B) wiederum in Längsrichtung (x) nach vorn abgebogen ist, um einen zweiten Wärmeübergangs- Abschnitt (5) in der zweiten Ebene (B) zu bilden, wo es dann an einer zweiten Vorderkante (7) zur ersten Ebene (A) hin umgebördelt ist und aus der zweiten Ebene (B) herausführend und eine zweite Wärmetauscher-Lamelle (2) bildend zur ersten Ebene (A) hin verlaufend abgebogen ist, und sodann in der ersten Ebene (B) wiederum in
Längsrichtung (x) nach vorn abgebogen ist, um einen dreilagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitt (4) in der ersten Ebene (B) zu bilden, um sodann wieder zur Ausbildung eines einlagigen ersten Wärmeübergangs-Abschnitts (4) und die Abkantung (12) bildend schräg zur ersten Ebene (A) verläuft, usw.
11. Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher- Lamellen (2) im Wesentlichen orthogonal zur ersten und zweiten Ebene (A, B) verlaufen.
12. Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
13. Elektrisches Heizmodul (15) zum Erwärmen eines Luftstroms, umfassend mindestens ein PTC-Heizelement (16) und mindestens einen daran angrenzenden, luftdurchströmbaren Wärmeabgabebereich, in dem mindestens ein Wärmetauscher-Lamellenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist, das mit dem PTC-Heizelement (16) in wärmeleitender Verbindung steht.
14. Elektrisches Heizmodul (15) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PTC-Heizelement (16) zwischen zwei Wärmetauscher-Lamellenmodulen (1) angeordnet ist und diese mit ihren Wärmeübergangs-Abschnitten (4) direkt oder indirekt auf dem PTC-Heizelement (13) aufliegen.
15. Elektrisches Heizmodul (15) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Heizelement (16) als fluid- durchströmbares Rohr ausgebildet ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 11749729 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2011749729 Country of ref document: EP |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 11749729 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |