NL1029289C2

NL1029289C2 - Warmtewisselaar voor gemotoriseerde vervoermiddelen, en gemotoriseerd vervoermiddel voorzien van een dergelijke warmtewisselaar.

Info

Publication number: NL1029289C2
Application number: NL1029289A
Authority: NL
Inventors: Andries Meuzelaar
Original assignee: Andries Meuzelaar
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-06-07
Also published as: US20090107651A1; NL1027646C2

Description

Warmtewisselaar voor gemotoriseerde vervoermiddelen, en gemotoriseerd vervoermiddel voorzien van een dergelijke warmtewisselaar

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar voor gemotoriseerde 5 vervoermiddelen, omvattende: ten minste één warmtegeleidende leiding, waardoor respectievelijk waarlangs een eerste medium en een tweede medium kunnen worden geleid onder uitwisseling van warmte tussen beide media. De uitvinding heeft tevens betrekking op een gemotoriseerd vervoermiddel voorzien van een dergelijke warmtewisselaar. De uitvinding heeft voorts betrekking op een werkwijze voor het 10 toepassen van een dergelijke in een gemotoriseerd vervoermiddel aangebrachte warmtewisselaar, omvattende de stappen: A) het door de leiding voeren van een eerste medium met een eerste temperatuur, en B) het langs de leiding leiden van een tweede medium met een tweede temperatuur, waarbij de eerste temperatuur en de tweede temperatuur onderling afwijken.

15

Voor elk gemotoriseerd vervoermiddel is het van belang dat de temperatuur van de motor optimaal blijft. Daarbij kan middels koeling van de motor oververhitting van de motor worden voorkomen, en opwarming van de motor (in bepaalde ijsklimaten) worden gerealiseerd. Met name bij relatief snelle en krachtige gemotoriseerde 20 vervoermiddelen, zoals (race)auto’s, vliegtuigen, en bepaalde vaartuigen, is efficiënte en intensieve koeling van in het bijzonder de verbrandingsmotor van essentieel belang. Alzo heeft een gemiddelde formule-1-raceauto een motor die tenminste 850 pk (circa 650 kW) levert uit 10 cilinders bij ongeveer 17.000 toeren per minuut en ten hoogste 3000 cc, bij een rendement van ongeveer 30 %. Dit betekent dat een substantiële 25 energiehoeveelheid van circa 1500 kW op niet rendabele wijze wordt omgezet via, onder andere, oliekoeling circa (120 kW), waterkoeling circa (160 kW), versnellingsbak circa (15 kW), hydraulisch systeem circa (3 kW), onverbrande brandstof circa (225 kW) en aan emissie via de uitlaat circa (510 kW). Nagenoeg de helft van de rendabele energiehoeveelheid dient aldus te worden afgevoerd via warmtewisselaars (radiatoren), 30 hetgeen het belang van een efficiënte koeling onderstreept. In de huidige formule-1 -auto’s worden de koelradiatoren in de zijkanten van de auto geplaatst, naast de motor in het zogenaamde interne aërodynamische gebied. De interne luchtsnelheid in deze luchtkanalen bedraagt ongeveer 10-15% van de auto snelheid, hetgeen wil zeggen dat 1 029289 t .· 2 bij een snelheid van 300 km per uur de luchtstromingsnelheid in de luchtkanalen circa 30 tot 35 km per uur bedraagt.

Voor dergelijke beperkte luchtsnelheden (tot circa 70 km per uur) kan de 5 warmteoverdracht van de in het voertuig opgenomen warmtewisselaar worden geoptimaliseerd door gebruik te maken van de in het Nederlandse octrooischrift NL 1020708 beschreven warmtewisselaar, waarbij de warmtewisselaar een poreuze thermische geleidende structuur omvat. Het aantal poriën per inch (ppi) van de poreuze structuur is daarbij in hoofdzaak gelegen tussen 20 en 50, en de dikte van de poreuze 10 structuur is daarbij in hoofdzaak is gelegen tussen 2 en 8 millimeter. Alhoewel de uit het Nederlandse octrooischrift bekende radiator een significant verbeterd warmteoverdragend vermogen per volume-eenheid per tijdseenheid bezit ten opzichte van conventionele (lamel)radiatoren, blijft de behoefte bestaan om het warmteoverdragend vermogen (per volume-eenheid) verdergaand te optimaliseren tegen 15 minimale kosten. Deze behoefte komt voort uit de voortdurende technologische ! ontwikkeling van gemotoriseerde vervoermiddelen, waarbij enerzijds wordt gestreefd naar verbetering van de externe aërodynamica van het vervoermiddel onder meer door | het reduceren van het aantal weerstandsverhogende (lucht)openingen in het vervoermiddelen als gevolg waarvan meer lucht langs het vervoermiddel kan worden ; 20 geleid. Anderzijds wordt gestreefd naar technologische prestatiegerichte verbetering van !

de bestaande motoren, waarbij de motorbelasting per volume-eenheid motor almaar I

toeneemt, hetgeen verdergaande verbetering van de bekende warmtewisselaars voor | vervoermiddelen tot een noodzaak maakt.

25 De uitvinding heeft tot doel het verschaffen van een verbeterde warmtewisselaar voor vervoermiddelen, met behulp waarvan warmte per volume-eenheid per tijdseenheid op relatief efficiënte wijze kan worden overgedragen.

De uitvinding verschaft daartoe een warmtewisselaar van het in aanhef bekende type,' 30 met het kenmerk, dat een naar het tweede medium toegekeerd leidingoppervlak in hoofdzaak gesloten is uitgevoerd, en dat waarbij de warmtewisselaar is ingericht voor positionering in hoofdzaak buiten het vervoermiddel, zodanig dat de warmtewisselaar is ingericht voor het genereren van een opwaartse en/of neerwaartse druk tijdens het stromen van het tweede medium langs de ten minste ene leiding. Toepassing van één of 1029289 I ‘ 3 meerdere leidingen voorzien van een in hoofdzaak gesloten (niet-poreus) buitenoppervlak leidt tot een warmtewisselaar die tegen een relatief lage kostprijs kan worden vervaardigd in vergelijking met de kostprijs van het in het Nederlandse octrooischrift NL 1020708 beschreven warmtewisselaar die is voorzien van een 5 thermisch geleidende structuur. Alhoewel het uitwendige oppervlak van de leiding(en), en daarmee het warmte-uitwisselend oppervlak tussen het eerste medium en het tweede medium worden gereduceerd door toepassing van één of meer leiding(en) met een in hoofdzaak gesloten buitenoppervlak bezit de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding voldoende warmteoverdragend vermogen om het doorgaans relatief warme 10 eerste medium, in het bijzonder gevormd door koelvloeistof of motorolie, per tijdseenheid voldoende af te doen koelen door het langs de leiding(en) stromende tweede medium, veelal gevormd door atmosferische lucht. Daartoe dient de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding evenwel in hoofdzaak buiten het vervoermiddel, of althans in de zogenaamde externe aërodynamische zone te worden 15 geplaatst, teneinde de (door het vervoermiddel geleverde) weerstand voor het tweede medium tijdens het langs de leiding(en) laten stromen van het tweede medium te minimaliseren. Op deze wijze zal de stromingssnelheid van het tweede medium langs de leiding niet langer beperkt blijven tot geringe snelheden tot circa 20 m/s, maar kunnen significant hogere stromingsnelheden van het tweede medium langs de leiding worden 20 bereikt, hetgeen resulteert in een significante verbetering van het op efficiënte wijze overdragen van een hoeveelheid warmte per volume van de warmtewisselaar en per tijdseenheid, en daarmee in een intensieve koeling van (een deel van) het vervoermiddel op relatief efficiënte, effectieve en goedkope wijze.

25 De warmtewisselaar is in het bijzonder geschikt om te worden toegepast bij vervoermiddelen die zich met relatief hoge kruissnelheden van circa 30 m/s tot circa 310 m/s kunnen voortbewegen, waarbij de warmtewisselaar aldus tevens wordt blootgesteld aan dergelijke snelheden, en waarbij de stromingssnelheid van het tweede medium langs de leiding(en) de actuele kruissnelheid van het vervoermiddel benadert.

30 Bij deze verhoogde kruissnelheden van het vervoermiddel en bij toepassing van de warmtewisselaar in de externe aërodynamische zone is toepassing van de warmtewisselaar bijzonder voordelig ten opzichte van de bekende warmtewisselaars. Ingeval van zich traag voortbewegende vervoermiddelen met een kruissnelheid tot 20 m/s zal het voordeel van een relatief intensieve warmteoverdracht van de 1 029289 » ' 4 warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding zich veelal niet langer voordoen. Bij voorkeur omvat de warmtewisselaar koppelmiddelen voor koppeling van de warmtewisselaar met het gemotoriseerde vervoermiddel zodanig dat in hoofdzaak de doorvoer van het tweede medium door de warmtewisselaar in hoofdzaak slechts wordt 5 belemmerd door de warmtewisselaar, en niet door het vervoermiddel per sé. Opgemerkt zij dat de warmtewisselaar doorgaans zal worden toegepast voor het koelen van één of meerdere verbrandingsmotoren van een vervoermiddel. Doch het is eveneens denkbaar om koeling behoevende nevenapparatuur van het vervoermiddel, zoals bijvoorbeeld een airconditioning of versnellingsbak, te koelen met behulp van de warmtewisselaar 10 overeenkomstig de uitvinding. Naast het feit dat de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding althans een deel van het vervoermiddel op relatief efficiënte wijze kan koelen, is de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding tevens ingericht voor het genereren van een opwaartse en/of neerwaartse druk tijdens het leiden van het tweede medium langs de leiding(en) van de warmtewisselaar. Op deze wijze verkrijgt de 15 warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding een aanvullende functionaliteit, namelijk de functionaliteit om naar wens een opwaartse en/of neerwaartse lift (“down force”) te genereren, waardoor de voortbeweging en/of ligging van het betreffende vervoermiddel kan worden beïnvloed. Alzo kan een opwaartse lift bijvoorbeeld worden aangewend voor het laten stijgen van een luchtvaartuig, onderwijl een neerwaartse lift 20 bijvoorbeeld kan worden toegepast voor het verbeteren van de wegligging bij voertuigen, in het bijzonder bij raceauto’s. De warmtewisselaar kan daarbij bijvoorbeeld een vleugel voor een luchtvaartuig of auto vormen of zijn geïntegreerd in een vleugel.

In een voorkeursuitvoering is de warmtewisselaar ingericht voor het geleiden van het 25 tweede medium, en bij nadere voorkeur is de warmtewisselaar in hoofdzaak gestroomlijnd uitgevoerd of althans ingericht voor het stroomlijnen van het tweede medium, waardoor de door het tweede medium tijdens verplaatsing van het vervoermiddel veroorzaakte aërodynamische weerstand kan worden verminderd. Met name trekker-oplegger combinaties ondervinden doorgaans aanzienlijk aërodynamische 30 weerstanden tijdens het goederentransport als gevolg van de relatief robuuste opleggers die veelal aan een trekker zijn bevestigd. Door de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding bijvoorbeeld als spoiler boven een cabine van de trekker te positioneren kan enerzijds een relatief efficiënte koeling van de verbrandingsmotor van de trekker worden gerealiseerd, onderwijl anderzijds het langsstromende tweede medium op 1 0292 89 I * 5 relatief effectieve wijze in hoofdzaak kan worden geleid langs de oplegger, waardoor de aërodynamische weerstand en daarmee het brandstofverbruik van de trekker-oplegger combinatie kan worden gereduceerd.

5 In een voorkeursuitvoering is ten minste een deel van het naar het tweede medium toegekeerde leidingoppervlak in hoofdzaak glad uitgevoerd. Op deze wijze kan de ten minste ene leiding relatief goedkoop worden vervaardigd uit bestaande buisvormige en/of plaatvormige materialen. Echter, ingeval vergroting van het contactoppervlak tussen het eerste medium en het tweede medium nochtans gewenst is, dan is bij 10 voorkeur ten minste een deel van het naar het tweede medium toegekeerde leidingoppervlak geprofileerd uitgevoerd. Door de profilering ontstaat echter geen driedimensionale poreuze oppervlaktestructuur. De profilering zal doorgaans meerdere in de leiding aangebrachte welvingen, ondulaties of andersoortige krommingen omvatten. De leiding zelf is bij voorkeur in hoofdzaak massief uitgevoerd, met dien 15 verstande dat de leiding ingericht blijft voor doorvoer van het eerste medium. Slechts een van de leiding deel uitmakende mantel, die de facto het eerste medium van het tweede medium scheidt, zal daarbij in hoofdzaak massief zijn uitgevoerd. De warmtegeleidende leiding is bij voorkeur vervaardigd uit metaal, in het bijzonder ten minste een van de volgende metalen: koper, nikkel, messing, roestvrij staal en 20 aluminium. Bijzonder voordeel van aluminium is een relatief lage soortelijke massa, hetgeen met name voor bepaalde vervoermiddelen, zoals (race)auto’s en luchtvaartuigen, veelal voordelig zal zijn.

In een andere voorkeursuitvoering is de hydraulische uitwendige diameter van de 25 leiding gelegen tussen 2 en 50 millimeter, in het bijzonder tussen 10 en 45 millimeter, meer in het bijzonder tussen 15 en 40 millimeter. Daar slechts over de hydraulische diameter wordt gesproken, kan de leiding geometrisch zeer divers zijn uitgevoerd. Alzo zijn naast cilindrische leidingen tevens vinvormige, of op andere wijze gevormde leidingen mogelijk, waarbij de hydraulische diameter is gelegen binnen voomoemde 30 grenzen.

Teneinde een opwaartse druk dan wel neerwaartse druk te genereren vormt de dwarsdoorsnede van ten minste een deel van de warmtewisselaar bij voorkeur in hoofdzaak een vleugelprofiel. Een vleugelprofiel vormt een asymmetrisch profiel, met 1 029289 » 4 6 behulp waarvan op relatief efficiënte en effectieve wijze een verticale lift (opwaartse dan wel neerwaarts) kan worden gegenereerd afhankelijk van de oriëntatie van het vleugelprofiel.

5 De warmtewisselaar is bij voorkeur voorzien van koppelmiddelen voor koppeling van de warmtewisselaar aan het vervoermiddel. De koppelmiddelen zijn daarbij bij voorkeur voldoende stevig om de onderlinge oriëntatie van het vervoermiddel en de warmtewisselaar, zelfs bij relatief hoge snelheden van het vervoermiddel, in hoofdzaak te kunnen fixeren. Aanvoerleidingen en/of afvoerleidingen van de warmtewisselaar 10 voor aanvoer respectievelijk afvoer van het eerste medium maken daarbij bij voorkeur deel uit van en/of zijn opgenomen in de koppelmiddelen.

Teneinde het warmteoverdragend vermogen van de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding te optimaliseren, omvat de warmtewisselaar bij voorkeur een samenstel van 15 meerdere onderling gekoppelde leidingen. De leidingen kunnen daarbij tegen elkaar zijn gelegen, doch het is eveneens denkbaar om de leidingen op enige afstand van elkaar te positioneren, teneinde het tweede medium relatief onbelemmerd rondom het in hoofdzaak volledige buitenoppervlak van elke leiding te kunnen laten stromen.

20 In een voorkeursuitvoering is de warmtewisselaar voorzien van een basisstructuur aan een omtrekszijde waarvan ten minste een deel van het aantal leidingen is aangebracht. De basisstructuur vormt daarbij in dwarsdoorsnede bij voorkeur een vleugelprofiel, aan de omtrekszijde waarvan de leidingen in hoofdzaak parallel en naast elkaar kunnen zijn gepositioneerd. De basisstructuur kan hol zijn uitgevoerd, teneinde de massa van de 25 warmtewisselaar te kunnen minimaliseren, doch kan tevens zijn voorzien van een functionele vulling, zoals bijvoorbeeld een impactresistent en/of geluiddempend materiaal. Tevens is het denkbaar om de basisstructuur te voorzien van één of meerdere luchtinlaten, teneinde het tweede medium tevens langs een naar de basisstructuur toegekeerd deel van de leidingen van de warmtewisselaar te kunnen laten stromen.

30 Bovendien kan het alzo - tijdens de warmte-uitwisseling met het eerste medium veelal opgewarmde - tweede medium naar de motor van het vervoermiddel worden geleid. Toevoer van opgewarmde lucht aan de motor van het vervoermiddel heeft onder meer als voordeel dat lucht permanent onder min of meer dezelfde condities aan de motor kan worden toegevoerd, en minder gevoelig is voor instantane weersfluctuaties.

1 029289 7 I « »

Teneinde het warmte-uitwisselend vermogen van de warmtewisselaar, en in het bijzonder de daarvan deel uitmakende afzonderlijke leidingen, te kunnen optimaliseren, is bij voorkeur ten minste een deel van het aantal leidingen voorzien van een bekleding 5 van een thermisch geleidende, poreuze structuur voor doorvoer van het de leiding omgevend tweede medium. Door de poreuze structuur kan het warmte-uitwisselend contactoppervlak tussen het eerste medium en het tweede medium worden vergroot, hetgeen het warmte-uitwisselend vermogen ten goede kan komen. Afhankelijk van de positionering en oriëntatie van elke leiding in het samenstel van leidingen, en ! 10 afhankelijk van de verwachte stromingssnelheden van het tweede medium kan worden gekozen om een leiding met een gesloten (niet-poreuze) oppervlaktestructuur dan wel een leiding met een open (poreuze) oppervlakstructuur toe te passen, waarbij de leiding met de gesloten oppervlaktestructuur vanuit financieel oogpunt doorgaans de voorkeur geniet. De voorkeur kan daarbij uitgaan naar een samenstel van leidingen, waarvan een 15 aantal leidingen is voorzien van een gesloten oppervlaktestructuur en een aantal leidingen is voorzien van een open oppervlaktestructuur.

De specificaties van de open oppervlaktestructuur hangen af van de verwachte stromingssnelheden van het tweede medium door de poreuze structuur. In een 20 voorkeursuitvoering is het aantal poriën per inch (ppi) van de poreuze structuur in hoofdzaak gelegen tussen 2 en 20, en dat de dikte van de poreuze structuur in hoofdzaak is gelegen tussen 5 en 50 millimeter. Het aantal poriën per inch is daarbij kleiner dan 20. Door de specificaties van de poreuze structuur op voomoemde wijze aan te passen is de warmtewisselaar bijzonder geschikt om te worden toegepast bij vervoermiddelen die 25 zich met relatief hoge kruissnelheden van circa 30 m/s tot circa 310 m/s kunnen voortbewegen, waarbij de warmtewisselaar aldus wordt blootgesteld aan dergelijke snelheden, en waarbij de doorstromingssnelheid van het tweede medium door de warmtewisselaar de actuele kruissnelheid van het vervoermiddel benadert. Slechts bij deze verhoogde kruissnelheden van het vervoermiddel en bij toepassing van de 30 warmtewisselaar in de externe aërodynamische zone is toepassing van de warmtewisselaar bijzonder voordelig. Echter, ingeval de met de poreuze structuur beklede leidingen door de positionering ervan en/of door de gebruikelijke verplaatsingssnelheid van het vervoermiddel niet kunnen worden blootgesteld aan voomoemde relatief hoge stromingssnelheden van tussen circa 30 en 310 m/s, doch 1029289 8 waarbij slechts doorstroming van de poreuze structuur met geringere snelheden zal worden gerealiseerd, dan is het doorgaans voordelig ingeval het aantal poriën per inch (ppi) van de poreuze structuur in hoofdzaak gelegen is tussen 20 en 50, waarbij de dikte van de poreuze structuur in hoofdzaak gelegen is tussen 2 en 8 millimeter. Het aantal 5 poriën per inch is bij nadere voorkeur gelegen tussen 25 en 30 ppi. Het aantal poriën per inch is aldus toegenomen, hetgeen resulteert in een betere doorstroming van de bekleding en alzo een meer efficiënte warmteoverdracht tussen het eerste medium en het tweede medium, althans bij relatief lage doorstromingssnelheden, id est lager dan 20 m/s, van het tweede medium.

10

De thermisch, geleidende structuur wordt bij voorkeur gevormd door een metaalschuim. Een metaalschuim heeft door het relatief grote uitwendig oppervlak als voordeel een bijzonder goed temperatuurgeleidend vermogen te bezitten, waardoor de temperatuuruitwisseling, of althans warmte-uitwisseling, tussen het eerste medium en 15 het tweede medium kan worden gemaximaliseerd. In een bijzondere voorkeursuitvoering is het metaalschuim vervaardigd uit ten minste één der volgende metalen: koper, nikkel, messing, roestvrij staal en aluminium. Daarnaast is het tevens denkbaar het metaalschuim uit een (andersoortige) legering te vervaardigen. Bij voorkeur is de bekleding voorzien van een corrosiebestendig metaal of een metaaloxide, 20 teneinde de duurzaamheid van de warmtewisselaar te vergroten door degeneratie van de warmtewisselaar te voorkomen, of althans tegen te gaan.

In een voorkeursuitvoering is de draaddikte van de poreuze structuur ten minste in hoofdzaak gelegen tussen 15 en 500 micrometer, in het bijzonder tussen 30 en 400 25 micrometer, meer in het bijzonder tussen 60 en 350 micrometer. Een dergelijke draaddikte kan de efficiency van de warmteoverdracht tussen het eerste medium en het tweede medium verder verhogen. Bij voorkeur maakt een naar de leiding toegekeerde zijde van de bekleding ten minste in hoofdzaak volledig thermisch contact met de leiding. Alzo kan de warmteoverdracht tussen de leiding en de poreuze structuur ofwel 30 tussen het eerste medium en het tweede medium worden geoptimaliseerd.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een gemotoriseerd vervoermiddel voorzien van ten minste één warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding, waarbij de warmtewisselaar ten minste in hoofdzaak buiten het vervoermiddel, of althans in de 1029289

, I

9 externe aërodynamische zone van het vervoermiddel, is gepositioneerd. Veelal sluit de externe aërodynamische zone nauw aan op de contouren van het vervoermiddel. Echter het is eveneens denkbaar om het vervoermiddel te voorzien van een zich in de langsrichting van het vervoermiddel uitstrekkende open luchtschacht, waarin de 5 warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding wordt geplaatst. In een dergelijke luchtschacht zal lucht zich kunnen verplaatsen met een luchtstroomsnelheid die in hoofdzaak gelijk is aan de kruissnelheid van het vervoermiddel, waardoor ook een dergelijke in het voertuig aangebrachte schacht tot de externe aërodynamische zone behoort. Bij voorkeur strekt de warmtewisselaar zich meerzijdig uit ten opzichte van het 10 vervoermiddel, en kan daarbij een zijvleugel vormen die aan weerszijden van het vervoermiddel, zoals bijvoorbeeld een raceauto is bevestigd. De conventionele separate luchtschacht(en) voor het aanzuigen van het tweede medium behoeven daardoor niet langer te worden toegepast. Bij voorkeur strekt de warmtewisselaar zich in hoofdzaak dwars op de langshartlijn van het vervoermiddel uit, teneinde op efficiënte wijze het 15 contactoppervlak van de warmtewisselaar met het tweede medium te kunnen optimaliseren. In een voorkeursuitvoering strekt de warmtewisselaar zich in de richting van de langshartlijn van het vervoermiddel in hoofdzaak uit in een richting die een hoek insluit met het horizontale vlak. In een bijzondere voorkeursuitvoering is deze hoek instelbaar, teneinde de koelcapaciteit van de warmtewisselaar overeenkomstig de 20 uitvinding en de door de warmtewisselaar tijdens verplaatsing van het vervoermiddel gegenereerde opwaartse of neerwaartse druk, te kunnen reguleren. Bij voorkeur omvat het vervoermiddel ten minste één profiel, welk profiel ten minste gedeeltelijk wordt gevormd door de warmtewisselaar. Het profiel kan daarbij betrekking hebben op een (auto)vleugel, doch tevens op een vleugel van een vaartuig of luchtvaartuig. In een 25 bijzondere voorkeursuitvoering is het vervoermiddel voorzien yan meerdere warmtewisselaar, waarbij de oriëntatie van elke warmtewisselaar onafhankelijk kan worden gewijzigd, teneinde een opwaartse en/of neerwaartse druk te genereren. Alzo is het bijvoorbeeld denkbaar dat één van de warmtewisselaars een opwaartse druk genereert, onderwijl de andere warmtewisselaar (gelijktijdig) een neerwaartse druk 30 genereert, hetgeen het nemen van een bocht door het vervoermiddel van faciliëren.

Eventueel kan op deze wijze de stabiliteit van het vervoermiddel bij sterke (zij)wind ten goede komen.

1029289 ♦ * 10

Het gemotoriseerde vervoermiddel kan zeer divers van aard zijn, doch is bij voorkeur ingericht om zich te verplaatsen met relatief hoge kruissnelheden (> 30 m/s), waardoor het voordeel van de significant verbeterde warmteoverdracht van de ontwikkelde warmtewisselaar kan worden bereikt. Het vervoermiddel wordt bij voorkeur gevormd 5 door één van de volgende vervoermiddelen: een vaartuig, een luchtvaartuig, en een voertuig, in het bijzonder een auto.

De uitvinding heeft tevens betrekking op het gebruik van een warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding voor het in hoofdzaak buiten een vervoermiddel koelen 10 en/of opwarmen van althans een deel van het vervoermiddel. Het koelen zal daarbij veelal, doch niet noodzakelijkerwijs, betrekking hebben op het koelen van een verbrandingsmotor van het vervoermiddel. Voordelen van het vernieuwde gebruik van de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding en de daarvoor benodigde bijzondere specificaties van de warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding zijn in het 15 voorgaande reeds op uitvoerige wijze beschreven.

De uitvinding heeft daarnaast betrekking op een werkwijze volgens het in aanhef genoemde type, met het kenmerk, dat het langs de leiding voeren van het tweede medium overeenkomstig stap B) geschiedt met een stroomsnelheid die ten minste in 20 hoofdzaak is gelegen tussen 30 en 310 meter per seconde. Juist bij deze relatief hoge snelheden kan met de buiten het vervoermiddel gepositioneerde warmtewisselaar op relatief efficiënte, effectieve en goedkope wijze afdoende warmteoverdracht per volume-eenheid warmtewisselaar per tijdseenheid worden gerealiseerd. Doorgaans zal het eerste medium worden gevormd door een vloeistof, in het bijzonder water of olie, en 25 zal het tweede medium worden gevormd door een gas, in het bijzonder lucht, of door een vloeistof. Veelal zal een relatief koel tweede medium worden toegepast om het eerste medium af te koelen, bijvoorbeeld ingeval van koeling van verbrandingsmotoren. Het is echter eveneens denkbaar om bijvoorbeeld stoom als tweede medium langs de leiding(en) te blazen, teneinde een in de leiding opgenomen relatief koele vloeistof, 30 zoals bijvoorbeeld olie, op te warmen. Op deze wijze kan een relatief koude motor in een ijsklimaat op relatief efficiënte wijze worden opgewarmd, alvorens deze wordt opgestart.

1029289 « · 11

De uitvinding zal worden verduidelijkt aan de hand van in navolgende figuren weergegeven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur la een dwarsdoorsnede van een eerste uitvoeringvorm van een warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding, 5 figuur 1 b een dwarsdoorsnede van een tweede uitvoeringvorm van een warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding, figuur 1 c een schematische dwarsdoorsnede van een eerste uitvoeringvorm van een warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding, figuur 2 een bovenaanzicht op een raceauto voorzien van een warmtewisselaar 10 overeenkomstig de uitvinding, figuur 3 een perspectivisch detailaanzicht op een formule-1-auto voorzien van meerdere warmtewisselaars volgens de uitvinding, figuur 4 een perspectivisch aanzicht op een andere formule-1-auto voorzien van meerdere warmtewisselaars overeenkomstig de uitvinding, 15 figuur 5 een perspectivisch aanzicht op een supersonisch luchtvaartuig voorzien van meerdere warmtewisselaars overeenkomstig de uitvinding, en figuur 6 een perspectivisch aanzicht op een trekker-oplegger combinatie voorzien van een warmtewisselaar overeenkomstig de uitvinding.

20 Figuur la een dwarsdoorsnede van een eerste uitvoeringvorm van een warmtewisselaar 1 overeenkomstig de uitvinding. De warmtewisselaar 1 is daarbij ingericht om te worden gekoppeld met een voertuig (niet-weergegeven) op een positie in hoofdzaak buiten dit voertuig. De warmtewisselaar 1 omvat thans een buitenste vleugelprofiel 2 en een in het buitenste vleugelprofiel 2 gepositioneerd binnenste vleugelprofiel 3. Een door 25 beide vleugelprofïelen 2, 3 ingesloten doorvoerruimte 4 is ingericht voor doorvoer van een te koelen medium, zoals bijvoorbeeld koelvloeistof. Het buitenste vleugelprofiel 2 en het binnenste vleugelprofiel 3 zijn onderling gefixeerd middels in de doorvoerruimte 4 gepositioneerde afstandhouders 5. Het binnenste vleugelprofiel 3 sluit een facilitaire ruimte 6 in, waarin een verstevigingsconstructie 7 is opgenomen. In de facilitaire ruimte 30 6 is tevens een afvoerbuis 8 opgenomen voor afvoer van afgekoelde koelvloeistof richting het voertuig. Tevens herbergt de facilitaire ruimte 6 een tweetal luchtinlaten 9 voor het aanzuigen van zuurstof ten behoeve van een verbrandingsmotor van het voertuig. Door zuurstof via deze luchtinlaten 9 aan te zuigen wordt de zuurstof reeds in de warmtewisselaar enigszins opgewarmd, hetgeen onder bepaalde omstandigheden 1 029289 • 1 12 voordelig kan zijn. Bovendien kan alzo tevens een van het buitenste vleugelprofiel 2 afgekeerde zijde van het binnenste vleugelprofiel 3 worden gekoeld door langsstromende lucht (voorzien van zuurstof), hetgeen de capaciteit van de warmtewisselaar 1 doorgaans aanzienlijk ten goede komt. Het moge duidelijk zijn dat 5 de luchtinlaten 9 op diverse wijzen kunnen worden vormgegeven.

Figuur lb toont een dwarsdoorsnede van een tweede uitvoeringvorm van een warmtewisselaar 10 overeenkomstig de uitvinding. De warmtewisselaar 10 omvat een basisstructuur 11 aan een omtrekszijde 12 waarvan meerdere in hoofdzaak parallel 10 georiënteerde platte buizen 13 zijn aangebracht. De buizen 13 zijn daarbij tegen elkaar aan gelegen. De buizen 13 zijn onderling gekoppeld en zijn ingericht voor doorvoer van een te koelen medium, zoals bijvoorbeeld koelvloeistof of motorolie. Elke buis 13 kan -indien noodzakelijk - inwendig zijn verstevigd door één of meerdere schotten (niet weergegeven). De in figuur lb getoonde dwarsdoorsnede van de warmtewisselaar 10 15 vormt een vleugelprofiel (of (asymmetrisch) druppelprofiel), waarbij de warmtewisselaar 10 zodanig georiënteerd is dat de warmtewisselaar 10 is ingericht voor het genereren van een (neerwaarts gerichte) lift. De warmtewisselaar 10 is bovendien ingericht om op een positie buiten de interne aërodynamische zone van een voertuig, in het bijzonder een raceauto, te worden aangebracht. De basisstructuur 11 kan hol zijn 20 uitgevoerd, teneinde de massa van de warmtewisselaar 10 beperkt te kunnen houden. Echter, het is eveneens denkbaar om de basisstructuur 11 te vullen met één of meerdere functionele materialen, teneinde bijvoorbeeld de resistentie tegen op het voertuig gerichte impacts te kunnen vergroten. De dimensionering van de buizen 13 kan variëren afhankelijk van de aan de warmtewisselaar 10 gestelde eisen. Bij een gemiddelde 25 raceauto zou toepassing van circa veertig buizen 13 met een lengte van tussen 40 en 50 cm, met een breedte van tussen 30 en 40 cm, en met een dikte van tussen 1 en 5 mm afdoende moeten zijn om de warmtewisselaar 10 voldoende warmte-uitwisselend vermogen te kunnen verschaffen om de verbrandingmotor van het voertuig te kunnen koelen.

30

Figuur lc toont een schematische dwarsdoorsnede van een eerste uitvoeringvorm van een warmtewisselaar 14 overeenkomstig de uitvinding. De warmtewisselaar 14 omvat een samenstel 15 van onderling gekoppelde leidingen 16,17, welk samenstel in dwarsdoorsnede een vleugelprofiel vormt. De leidingen 16,17 zijn ingericht voor I029289 > t 13 doorvoer van een te koelen of op te warmen medium. De leidingen 16,17 zijn onderling op afstand van elkaar gepositioneerd, teneinde vrije ruimten tussen de leidingen 16,17 te creëren voor het kunnen laten doorstromen van deze vrije ruimten door een relatief koel respectievelijk relatief warm medium. De aan de buitenzijde van het samenstel 15 5 gepositioneerde leidingen 16 omvatten een massieve mantel 18 en deze leidingen 16 vormen als zodanig relatief gladde buizen. Meer in het centrum van het samenstel 15 gepositioneerde leidingen 17 zijn aan een buitenzijde voorzien van een warmtegeleidende bekleding 19, in het bijzonder gevormd door een metaalschuim. Op deze wijze kan de warmteoverdracht per leiding worden geoptimaliseerd afhankelijk 10 van de verwacht stromingssnelheid van het medium dat langs de leidingen 16,17 zal stromen, hetgeen het warmteoverdragend vermogen van de warmtewisselaar 13 (aanzienlijk) kan verbeteren. Veelal zullen de leidingen 16,17 onderling zijn verbonden middels een frame (niet weergegeven), welk frame doorgaans zal zijn ingericht om te worden gekoppeld aan een vervoermiddel, in het bijzonder een voertuig.

15

Figuur 2 toont een bovenaanzicht op een raceauto 20 voorzien van een warmtewisselaar 21 overeenkomstig de uitvinding. De warmtewisselaar 21 vormt daarbij, althans een substantieel deel, van een achtervleugel 22 van de raceauto 20. De warmtewisselaar 21 als zodanig heeft daarbij een zeker aërodynamisch ontwerp. De vleugel 22 strekt zich in 20 dwarsrichting uit in een richting die een bepaalde hoek insluit met het horizontale vlak, waardoor tijdens verplaatsing van de raceauto 20 een neerwaartse kracht zal worden uitgeoefend door de warmtewisselaar 21, of althans door de vleugel 22, ten behoeve van een verbeterde wegligging van de raceauto 20. De warmtewisselaar 21 kan daarbij worden gevormd door een één van de figuren la-lc getoonde warmtewisselaars 1,10, 25 14. Door de externe positionering van de warmtewisselaar 21 kan een relatief efficiënte koeling van een motor 23 van de raceauto 20 worden gerealiseerd. De koeling van de motor 23 wordt thans verder verbeterd door de aanwezig van een tweetal lateraal gepositioneerde warmtewisselaars 24a, 24b die tevens zijn ingericht voor het genereren van een neerwaartse druk ten behoeve van een verbeterde wegligging van de raceauto 30 20. De lateraal gepositioneerde warmtewisselaars 24a, 24b zijn constructief bij voorkeur gelijkend op de in figuren la-lc getoonde warmtewisselaars 1,10,14. De motor 23 wordt, met name ten behoeve van de verbranding van brandstof in de motor 10, van lucht voorzien via in de lateraal gepositioneerde warmtewisselaars 24a, 24b aangebrachte luchtinlaten 25a, 25b die aldus eveneens lateraal ten opzichte van de 1029289 4 « 14 motor 23 van de raceauto 20 zijn gepositioneerd. Optioneel kan nabij een voorvleugel 26, en/of een stuurcabine 27 van de raceauto 20 een additionele warmtewisselaar (niet weergegeven) worden gepositioneerd.

5 Figuur 3 toont een perspectivisch detailaanzicht op een formule-1-auto 28 voorzien van meerdere warmtewisselaars 29a, 29b, 29c, 29c volgens de uitvinding. De warmtewisselaars 29a, 29b, 29c, 29d zijn daarbij paarsgewijs geordend en maken integraal deel uit van een achtervleugel 30 van de auto 28. Op deze wijze kan een relatief efficiënte motorkoeling van de formule-1-auto 28 worden gerealiseerd. Verder 10 voordelen van de getoonde constructie zijn reeds in het voorgaande uitvoerig beschreven.

Figuur 4 toont een perspectivisch aanzicht op een andere formule-1-auto 31 voorzien van meerdere warmtewisselaars 32a, 32b overeenkomstig de uitvinding. De 15 warmtewisselaars 32a, 32b zijn daarbij bevestigd aan weerszijden van een hoge luchtinlaat 33 juist achter een stuurcabine 34 van de auto 31. De warmtewisselaars 32a, 32b kunnen onafhankelijk axiaal worden geroteerd, teneinde een opwaartse en/of neerwaartse druk te kunnen realiseren, hetgeen de wegligging van de auto 31 ten goede komt. Het is daarbij denkbaar dat één warmtewisselaar 32a een zodanige oriëntatie heeft 20 dat een neerwaartse druk wordt gerealiseerd en dat de andere warmtewisselaar 32b gelijktijdig zodanig is georiënteerd dat een opwaartse druk wordt gerealiseerd, teneinde de weglegging van de auto 31 te kunnen optimaliseren bij het nemen van bochten en/of. het gefacilieerd kunnen opvangen van een eventuele zijwind. De constructie van de warmtewisselaar 32a, 32b is constructief gelijkend op of een variant van de in figuren 25 la-lc getoonde warmtewisselaars 1,10, 14. Voordelen van de externe positionering van de warmtewisselaars 32a, 32b zijn in het voorgaande reeds uitvoerig beschreven.

Figuur 5 toont een perspectivisch aanzicht op een supersonisch luchtvaartuig 35 voorzien van meerdere warmtewisselaars 36a, 36b overeenkomstig de uitvinding. De 30 warmtewisselaars 36a, 36b omvatten elk een samenstel van leidingen met een in hoofdzaak gesloten uitwendig oppervlak voor koeling van in het luchtvaartuig 35 gebruikte warmteproducerende nevenapparatuur, zoals bijvoorbeeld een airconditioning. Daar de warmtewisselaars 36a, 36b worden blootgesteld aan hoge luchtsnelheden (> 331 m/s) is elke warmtewisselaar 36a, 36b voorzien van een 1 029289

, I

15 weerstandsverhogende beschermende coating. In het getoonde uitvoeringsvoorbeeld is elke warmtewisselaar 36a, 36b opgenomen in een star uiteinde van van het luchtvaartuig 35 deel uitmakende vleugels 37. In het getoonde uitvoeringsvoorbeeld zijn de warmtewisselaars 36a, 36b niet ingericht voor koeling van in de vleugels 37 5 opgenomen turbinemotoren 38. In een alternatieve uitvoeringsvorm kunnen de warmtewisselaars zijn opgenomen in van de vleugels 37 deel uitmakende vleugelkleppen (niet-weergegeven).

Figuur 6 toont een perspectivisch aanzicht op een combinatie 39 van een trekker 40 en 10 een aan de trekker 40 gekoppelde oplegger 41, waarbij de trekker 40 is voorzien van een warmtewisselaar 42 overeenkomstig de uitvinding. De warmtewisselaar 42 is boven op een stuurcabine 43 van de trekker gepositioneerd en is ingericht voor koeling van een verbrandingsmotor van de trekker 40. Bovendien sluit de warmtewisselaar 42 een hoek in met het horizontale vlak, waardoor de warmtewisselaar 42 tevens als spoiler 15 kan worden beschouwd voor het geleiden van langs de warmtewisselaar 42 stromende lucht tijdens transport van het de combinatie 39, waardoor de door de ten opzichte van de stuurcabine 43 relatief hoge oplegger 41 eigenlijk veroorzaakte luchtweerstand tijdens transport van de combinatie 39 significant kan worden gereduceerd.

20 Het moge duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de hier weergegeven en beschreven uitvoeringsvoorbeelden, maar dat binnen het kader van de bijgaande conclusies legio varianten mogelijk zijn, die voor de vakman op dit gebied voor dé hand zullen liggen.

25 1 029289

Claims

1. Warmtewisselaar voor gemotoriseerde vervoermiddelen, omvattende: ten minste één een warmtegeleidende leiding, waardoor respectievelijk waarlangs een 5 eerste medium en een tweede medium kunnen wórden geleid onder uitwisseling van warmte tussen beide media, met het kenmerk, dat een naar het tweede medium toegekeerd leidingoppervlak in hoofdzaak gesloten is uitgevoerd, en dat de warmtewisselaar is ingericht voor positionering in hoofdzaak buiten het vervoermiddel, zodanig dat de warmtewisselaar is 10 ingericht voor het genereren van een opwaartse en/of neerwaartse druk tijdens het stromen van het tweede medium langs de ten minste ene leiding.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de warmtewisselaar in hoofdzaak gestroomlijnd is uitgevoerd. 15

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat ten minste een I deel van het naar het tweede medium toegekeerde leidingoppervlak in hoofdzaak glad is uitgevoerd.

4. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten minste een deel van het naar het tweede medium toegekeerde leidingoppervlak geprofileerd is uitgevoerd.

5. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat 25 de leiding in hoofdzaak massief is uitgevoerd.

6. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de ten minste ene leiding ten minste gedeeltelijk is vervaardigd uit ten minste een der volgende materialen: koper, nikkel, messing, roestvrij staal en aluminium. 30

7. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de hydraulische diameter van de leiding ten minste in hoofdzaak is gelegen tussen 2 en 50 millimeter. 1029289 I 3

8. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de dwarsdoorsnede van ten minste een deel van de warmtewisselaar in hoofdzaak een vleugelprofïel vormt.

9. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de warmtewisselaar is voorzien van koppelmiddelen voor koppeling van de warmtewisselaar aan het vervoermiddel.

10. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat 10 de warmtewisselaar een samenstel van meerdere onderling gekoppelde leidingen omvat.

11. Warmtewisselaar volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de warmtewisselaar is voorzien van een basisstructuur aan een omtrekszijde waarvan ten minste een deel van het aantal leidingen is aangebracht. 15

12. Warmtewisselaar volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat een deel van het aantal leidingen is voorzien van een bekleding van een thermisch geleidende, poreuze structuur voor doorvoer van het de leiding omgevend tweede medium.

13. Warmtewisselaar volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat het aantal poriën per inch (ppi) van de poreuze structuur in hoofdzaak is gelegen tussen 2 en 20, en dat de dikte van de poreuze structuur in hoofdzaak is gelegen tussen 5 en 50 millimeter.

14. Warmtewisselaar volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat het aantal poriën 25 per inch (ppi) van de poreuze structuur in hoofdzaak is gelegen tussen 20 en 50, en dat de dikte van de poreuze structuur in hoofdzaak is gelegen tussen 2 en 8 millimeter.

15. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 12-14, met het kenmerk, dat de thermisch, geleidende structuur wordt gevormd door een metaalschuim. 30

16. Warmtewisselaar volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat het metaalschuim is vervaardigd uit ten minste één der volgende metalen: koper, nikkel, messing, roestvrij staal en aluminium. 1029289 » ·

17. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 12-16, met het kenmerk, dat de draaddikte van de poreuze structuur ten minste in hoofdzaak is gelegen tussen 15 en 500 micrometer.

18. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 12-17, met het kenmerk, dat een naar de leiding toegekeerde zijde van de bekleding ten minste in hoofdzaak volledig thermisch contact maakt met de leiding.

19. Gemotoriseerd vervoermiddel voorzien van ten minste één warmtewisselaar 10 volgens een der conclusies 1-18, waarbij de warmtewisselaar ten minste in hoofdzaak buiten het vervoermiddel is gepositioneerd.

20. Vervoermiddel volgens een der conclusies 16-19, met het kenmerk, dat het vervoermiddel één van de volgende vervoermiddelen betreft: een vaartuig, een luchtvaartuig, en een voertuig, in het bijzonder een auto. 30

20. Vervoermiddel volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat de warmtewisselaar zich meerzijdig uitstrekt ten opzichte van het vervoermiddel. 15

21. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 1-15 voor gebruik in samenwerking met een gemotoriseerd vervoermiddel, waarbij de warmtewisselaar in hoofdzaak buiten het vervoermiddel is gepositioneerd. 1029289 » '

21. Vervoermiddel volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat de warmtewisselaar zich ten minste in hoofdzaak dwars op de langshartlijn van het vervoermiddel uitstrekt.

22. Gebruik van een warmtewisselaar volgens een der conclusies 1-15 voor het in hoofdzaak buiten een vervoermiddel koelen en/of verwarmen van althans een deel van het vervoermiddel.

22. Vervoermiddel volgens een der conclusies 19-21, met het kenmerk, dat de 20 warmtewisselaar zich in de richting van de langshartlijn van het vervoermiddel in hoofdzaak uitstrekt in een richting die een hoek insluit met het horizontale vlak.

23. Vervoermiddel volgens een der conclusies 16-18, met het kenmerk, dat het vervoermiddel ten minste één uitwendig gepositioneerd profiel omvat, welk profiel ten 25 minste gedeeltelijk wordt gevormd door de warmtewisselaar.

23. Werkwijze voor het toepassen van een in een gemotoriseerd vervoermiddel aangebrachte warmtewisselaar volgens een der conclusies 1-15, omvattende de stappen: A) het door ten minste één leiding voeren van een eerste medium met een eerste temperatuur, en B) het langs de leiding leiden van een tweede medium met een tweede temperatuur, 10 waarbij de eerste temperatuur en de tweede temperatuur verschillend zijn, met het kenmerk, dat het langs de leiding voeren van het tweede medium overeenkomstig stap B) geschiedt met een stroomsnelheid die ten minste in hoofdzaak is gelegen tussen 30 en 310 meter per seconde. 15 1 029289