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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen Wärmetauscher mit einem oder
mehreren relativ flachen Fluidleitungen, und im besonderen Wärmetauscher
mit verbesserten Fluidleitungen.
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Wärmetauscher
mit Leitungen, die einen relativ flachen Querschnitt aufweisen,
sind allgemein bekannt. Diese Wärmetauscher
werden oft als "Parallelstrom"-Wärmetauscher
bezeichnet. In solchen Parallelstromwärmetauschern ist das Innere
eines jeden Rohres in eine Vielzahl von parallelen Strömungspfaden
mit relativ kleinem hydraulischen Durchmesser, beispielsweise 1,778
mm (0.070 inch) oder weniger, aufgeteilt, um das wärmeübertragende Fluid
hindurchzuleiten. Um den Wärmeübergang
zu verbessern, können
die Rohre solcher Parallelstromwärmetauscher
mit Rippen versehen werden, derart, dass die flachen Rohre mittels
einer Vielzahl von Rippen miteinander verbunden sind. Diese Rippen
können
auch serpentinenähnlich
ausgebildet und zwischen den flachen Rohren befestigt sein. Bisher
wurden Parallelstromwärmetauscher
typischerweise als Kondensatoren in Anwendungsfällen benutzt, wo es vor allem
auf den Raumbedarf ankam, wie zum Beispiel in Klimaanlagen für Automobile.
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Um
den Wärmeübergang
zwischen einem Fluid, beispielsweise druckverflüssigten Kühlmittel, das in den Leitungen
des Wärmetauschers
strömt, und
einem an deren Außenseiten
strömenden
Fluid, beispielsweise Luft, die durch den Wärmetauscher geleitet wird,
zu verbessern, ist es für
gewöhnlich
vorteilhaft, Strömungskanäle mit relativ
kleinem hydraulischen Durchmesser zu verwenden. Jedoch führen solch
kleine hydraulischen Durchmesser gewöhnlich zu ungewollten Druckverlusten,
wenn das wärmeübertragende
Fluid durch die Leitungen strömt.
Es besteht daher ein Bedürfnis,
einen verbesserten Wärmetauscher
anzugeben, der die Vorteile von Strömungspfaden mit relativ kleinem
hydraulischen Durchmesser aufweist, bei dem jedoch die Druckverluste,
die gewöhnlich
mit relativ kleinen hydraulischen Durchmessern einhergehen, vermindert
sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Wärmetauscherleitung
gemäß Anspruch 1.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher weist
in einer Ausführungsform
mindestens eine Leitung mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt auf, die
geeignet ist, um ein wärmeübertragendes
Fluid hindurchzuleiten, und Haltemittel zum Halten dieser Leitung.
Die Leitung weist auf eine größere Ausdehnung
und eine kleinere Ausdehnung, Einlass- und Auslassöfnungen,
einen Zulaufkanal, der sich entlang der größeren Ausdehnung erstreckt
und mit der Einlassöffnung
in Verbindung steht, um das durch die Einlassöffnung strömende wärmeübertragende Fluid in die Leitung
hineinzuleiten, einen Ablaufkanal, der sich entlang der größeren Ausdehnung
erstreckt und mit der Auslassöffnung
in Verbindung steht, um das wärmeübertragende
Fluid durch die Auslassöffnung aus
der Leitung hinauszuleiten, und mehrere Wärmeübertragungskanäle, wobei
sich jeder der Kanäle entlang
der kleineren Ausdehnung zwischen dem Zulaufkanal und dem Ablaufkanal erstreckt.
Die Wärmeübertragungskanäle sind
dazu geeignet, das wärmeübertragende
Fluid quer zur größeren Ausdehnung
vom Zulaufkanal zum Ablaufkanal zu leiten.
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Gemäß eines
Merkmales der Erfindung ist die größe re Ausdehnung wesentlich
größer als
die kleinere Ausdehnung, so dass jeder Wärmeübertragungskanal, im Vergleich
zur Länge
der Wärmetauscherleitung
entlang der größeren Ausdehnung,
relativ kurz ist.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Zulauf- und
der Ablaufkanal jeweils einen wesentlich größeren Querschnitt als jeder
der Wärmeübertragungskanäle aufweisen.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, dass die Leitung ein relativ flaches
Rohr ist und dass der Zulauf- und der Ablaufkanal entsprechende größere Achsen
aufweisen, die parallel zu der größeren Ausdehnung des Rohres
verlaufen. Weiterhin befinden sich der Zulauf- und der Ablaufkanal
an gegenüberliegenden
Seiten des Rohres und erstrecken sich im Wesentlichen entlang der
gesamten größeren Ausdehnung
des Rohres.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass Zulauf- und Ablaufkanal größere Achsen
aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur größeren Ausdehnung der Leitung
verlaufen, und dass jeder der Wärmeübertragungskanäle eine
größere Achse
aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der kleineren Ausdehnung
der Leitung verläuft.
Die Länge
der Leitung in Richtung der größeren Ausdehnung beträgt wenigstens
das sechsfache der Länge
jedes Wärmeübertragungskanales
entlang dessen Hauptachse.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Querschnitte des Zulauf- und des Ablaufkanales
wenigstens fünfmal
größer als
der Querschnitt eines jeden Wärmeübertragungskanales sind.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass jeder der Wärmeübertragungskanäle einen
relativ kleinen hydraulischen Durchmesser aufweist, vorzugsweise
in einem Bereich von ungefähr 0,254
mm (0.01 inch) bis 5,08 mm (0.20 inch).
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Zulauf- und Ablaufkanäle sich
entlang gegenüberliegender
Seiten der Leitung erstrecken, wobei sich die Einlassöffnung der
Leitung in einem Ende und in der Nähe einer Seite der Leitung befindet
und sich die Auslassöffnung
der Leitung in einem dem vorgenannten Ende gegenüberliegenden Ende und in der
Nähe einer
der vorgenannten Seite gegenüberliegenden
Seite befindet. Hierbei ist die Wärmetauscherleitung in ihrer
größeren Ausdehnung
durch die zwei gegenüberliegenden
Enden und in ihrer kleineren Ausdehnung durch die zwei gegenüberliegenden
Seiten begrenzt.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Leitung zusammengebaut
ist durch Falten einer relativ flachen Platte längs einer größeren Achse,
welche zwischen den sich gegenüberliegenden
Seitenkanten der Platte verläuft,
um eine Seite der Wärmetauscherleitung
zu formen, durch Einsetzen eines gewellten Teiles in die Wärmetauscherleitung
und durch Verbinden der sich gegenüberliegenden Seitenkanten der
Platte, um eine der genannten Seite gegenüberliegende andere Seite der Wärmetauscherleitung
zu formen. Das gewellte Teil weist mehrere Wellungen auf, die die
Wärmeübertragungskanäle begrenzen.
Das gewellte Teil weist eine Länge
auf, die sich im Wesentlichen über
die gesamte größere Ausdehnung
der Leitung erstreckt, und weist eine Breite auf, die sich nur teilweise
entlang der kleineren Ausdehnung der Leitung erstreckt. Der Zulaufkanal
befindet sich zwischen dem gewellten Teil und einer Seite der Leitung,
und der Ablaufkanal befindet sich zwischen dem gewellten Teil und
einer gegenüberliegenden
Seite der Leitung. In der bevorzugten Ausführungsform liegen die Wellungen
eng aneinander an, um im Querschnitt tränen förmige Wärmeübertragungskanäle zu bilden.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Leitung durch
Einlass- und Auslassteile gehalten wird, wobei diese auf der jeweils
dem anderen Teil zugewandten Seite gekrümmte Vorderseiten aufweisen.
Die Leitung erstreckt sich zwischen dem Einlass- und dem Auslassteil,
wobei ein Ende der Leitung durch einen Schlitz in der Vorderseite
des Einlassteiles und ein gegenüberliegendes
Ende der Leitung durch einen Schlitz in der Vorderseite des Auslassteiles
hindurchragt. Das Einlassteil weist auch eine Rückseite auf, die einen Teil
beinhaltet, der so mit dem einen Ende der Leitung verbunden ist, dass
der Ablaufkanal in diesem Bereich verschlossen ist, so dass dadurch
ein Zulauf des wärmeübertragenden
Fluides vom Einlassteil in den Ablaufkanal verhindert ist. Das Auslassteil
weist ebenfalls eine Rückseite
auf, die einen Teil beinhaltet, der so mit dem gegenüberliegenden
Ende der Leitung verbunden ist, dass der Zulaufkanal in diesem Bereich
verschlossen ist, so dass dadurch ein Zulauf des wärmeübertragenden
Fluides vom Zulaufkanal in das Auslassteil verhindert wird.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher weist
eine Lei tung mit Zulauf- und Ablaufkanälen auf, deren Querschnittsflächen genügend groß sind,
um den erforderlichen Volumenstrom an wärmeübertragendem Fluid in der Leitung
aufrechtzuerhalten, sowie mehrere Wärmeübertragungskanäle mit relativ kleinen
hydraulischen Durchmessern, um den Wärmeübergang zwischen dem Fluid,
das durch die Wärmeübertragungskanäle strömt, und
einem außerhalb der
Leitung befindlichen Fluid, zum Beispiel Luft, die durch den Wärmetauscher
geleitet wird, zu verbessern. Da sich die Wärmeübertragungskanäle zwischen
dem Zulauf- und dem Ablaufkanal (d.h. entlang der kleineren Ausdehnung
der Leitung) erstrecken, sind sie relativ kurz, verglichen mit der
Länge des
Zulauf- und des Ablaufkanales. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Wärmeübertragungskanäle trotz
relativ kleiner hydraulischer Durchmesser keine über die Maßen hohe Druckverluste beim
Hindurchströmen
des Fluides verursachen.
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Die
Erfindung wir nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
Seitenansicht des erfindungsgemäßen verbesserten
Wärmetauschers
mit mehreren relativ flachen Wärmetauscherleitungen,
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2 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße relativ flache Wärmetauscherleitung,
für die Anwendung
in dem in 1 dargestellten Warmetauscher,
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in 2,
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4 eine
Ansicht auf die in 2 dargestellte Leitung von der
Einlassseite,
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5 eine
Ansicht auf die in 2 dargestellte Leitung von der
Auslassseite,
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6 eine
Draufsicht auf eine Platte, aus der die in 2 dargestellte
Leitung hergestellt wird,
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7 eine
Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in 6,
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8 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
mit mehreren relativ flachen Wärmetauscherleitungen,
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9 eine
perspektivische Ansicht eines gewellten Teiles, das sich in jeder
der Wärmetauscherleitungen
des Warmetauschers aus 8 befindet,
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10 eine
perspektivische Ansicht des gewellten Teiles aus 9,
nachdem die Wellungen aneinander gepreßt wurden, so dass ein kompaktes
Teil entsteht,
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11 eine
perspektivische Ansicht einer Platte aus der jede der in 8 dargestellten
Leitungen hergestellt wird,
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12–14 Ansichten
auf ein Ende der in 8 dargestellten Wärmetauscherleitung,
um die einzelnen Schritte bei deren Herstellung zu zeigen,
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15 eine
Detailansicht des Inneren einer Wärmetauscherleitung, die die
tränenförmigen Querschnitte
der Wärmeübertragunskanäle in der
Leitung zeigt,
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15A eine Detailansicht des Inneren einer Wärmetauscherleitung,
die einen zweiten Wärmeübertragungskanal
zeigt, der durch das Schweißverlöten des
gewellten Teiles mit einer Innenwandung der Leitung gebildet ist,
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16 eine
perspektivische Ansicht einer zusammengebauten Wärmetauscherleitung,
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17 eine
perspektivische Detailansicht eines Teiles des Wärmetauschers aus 8,
die serpentinenähnliche
Rippen mit jalousienartigen Ausformungen zwischen aneinander angrenzenden
Wärmetauscherleitungen
zeigt,
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18A eine schematische Darstellung der Leitung,
die die Strömungsrichtungen
des wärmeübertragenden
Fluides in der Leitung andeutet, und
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18B eine Detailansicht eines Teiles der schematischen
Darstellung aus
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18A, die die Strömungsrichtungen des wärmeübertragenden
Fluides in der Leitung zeigt.
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In
den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht
notwendigerweise maßstabsgerecht,
und in einigen Fällen
sind Proportionen übertrieben
dargestellt, um bestimmte Merkmale der Erfindung deutlicher herausstellen
zu können.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 dargestellt. Der
Wärmetauscher 10 umfaßt eine
Vielzahl von länglichen
Rohren 12 mit nicht kreisförmigen Querschnitten, die sich
zwischen entgegengesetzten Einlass- und Auslassteilen 14 und 16,
erstrecken. Die Rohre 12 sind vorzugsweise aus Metall gefertigt,
beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer. Die Einlass- und Auslassteile 14 und 16 dienen
als Halteteile, die das Gewicht der Rohre 12 aufnehmen.
Das Einlasstei1 14 weist Decken- und Bodenverschlüsse 14a und 14b auf,
um die Ober- und die Unterseite des Einlassteiles 14 zu
verschließen.
Das Auslassteil 16 weist Decken- und Bodenverschlüsse 16a und 16b auf,
um die Ober- und Unterseite des Auslassteiles 16 zu verschließen. Eine
Vielzahl von serpentinenähnlichen
Rippen 18, die den Wärmeübergang verbessern,
erstrecken sich zwischen aneinander angrenzenden Rohren 12 und
sind mit diesen, beispielsweise durch Schweißlöten, verbunden, so dass sie
gehalten sind. Die Rippen 18 sind vorzugsweise aus Metall,
beispielsweise Aluminium oder Kupfer, hergestellt. Der Wärmetauscher 10 weist
weiterhin eine Deckenplatte 19 und eine Bodenplatte 21 auf. Die
obersten Rippen 18 sind mit der Deckenplatte 19 und
dem obersten Rohr 12 verbunden. Die untersten Rippen 18 sind
mit dem untersten Rohr 12 und der Bodenplatte 21 verbunden.
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Aus
den 2 bis 7 ist ersichtlich, dass jedes
Rohr 12 eine Einlassöffnung 22 an
einem Ende 12a und eine Auslassöffnung 24 an einem
entgegengesetzten Ende 12b aufweist. Die Einlassöffnung 22 steht
in Verbindung mit dem Einlassteil 14 (1), und
die Auslassöffnung 24 steht
in Verbindung mit Auslassteil 16 (1), wobei
ein wärmeübertragendes
Fluid (beispielsweise ein druckverflüssigtes Kühlmittel) von dem Einlassteil 14 durch
die Einlassöffnung 22 eines
jeden Rohres in dieses Rohr 12 hineinströmen kann
und durch die Auslassöffnung 24 des
jeweiligen Rohres 12 hinaus- und in das Auslassteil 16 hineinströmen kann.
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Jedes
Rohr 12 ist relativ flach und weist einen im Wesentlichen
rechteckigen Querschnitt auf, wie aus den 4 und 5 ersichtlich
ist. Jedes Rohr 12 weist eine größere Ausdehnung auf, entlang derer
es sich zwischen dem Einlass- und dem Auslassende 12a und 12b erstreckt, und
eine kleinere Ausdehnung, entlang derer es sich zwischen den sich
entgegengesetzten Seiten 12c und 12d erstreckt.
Ein Zulaufkanal 26 erstreckt sich entlang der größeren Ausdehnung
eines jeden Rohres 12 und grenzt an dessen Seite 12c an,
und ein Ablaufkanal 28 erstreckt sich entlang der größeren Ausdehnung eines
jeden Rohres 12 und grenzt an dessen Seite 12d an.
Eine Vielzahl von Wärmeübertragungskanälen 30,
die zueinander parallel angeordnet sind, erstreckt sich entlang
der kleineren Ausdehnung des Rohres 12 zwischen dem Zulauf-
und dem Ablaufkanal 26 und 28. Relativ dünne Wandungen 32 trennen aneinander
angrenzende Kanäle 30.
Wie aus 3 hervorgeht, weist jeder Kanal 30 einen
im Wesentlichen parallelogrammähnlich
geformten Querschnitt auf.
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Gemäß eines
Merkmales der Erfindung weist jeder Wärmeübertragungskanal 30 einen
relativ kleinen hydraulischen Durchmesser (beispielsweise 0,254
mm bis 5,08 mm) auf. Jedoch kann der hydraulische Durchmesser eines
jeden Wärmeübertragungskanals
in Wärmetauschern
großer
Luftkonditionieranlagen, wie sie beispielsweise gewerblich Verwendung
finden, unter Umständen
größer als
5,08 mm (0.20 inch) sein. Zulauf- und Ablaufkanäle 26 und 28 weisen
im Vergleich zum Querschnitt eines jeden Wärmeübertragungskanals 30 einen
wesentlich größeren Querschnitt
auf, so dass ein ausreichend großer Volumenstrom durch die
Kanäle 30 aufrechterhalten
werden kann, ohne über
die Maßen
hohe Druckverluste zu erzeugen. Der Querschnitt jeden Kanales 26, 28 ist
vorzugsweise 5–100
mal größer als
der Querschnitt eines jeden Kanales 30. Der hydraulische
Durchmesser (HD) wird nach der folgenden allgemein anerkannten Formel
berechnet: HD = 4 × AWP wobei
- HD
- = hydraulischer Durchmesser
- A
- = Querschnittsfläche des
betreffenden Kanales
- WP
- = benetzter Umfang
des betreffenden Kanalquerschnitts
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Wie
aus den 6 und 7 hervorgeht, wird
das Rohr 12 hergestellt durch Biegen einer relativ flachen
Platte 32 aus der Zeichenebene heraus, entlang einer Achse 34a,
und durch Falten eines rechten Teiles 32a der Platte 32 (wie
aus 6 ersichtlich) entlang einer Achse 34b über die
Oberseite eines linken Teiles 32b der Platte 32.
Ein Teil 32c der Platte 32 befindet sich zwischen
den Teilen 32a und 32b und ist durch die Achsen 34a, 34b begrenzt.
Die Platte 32 weist eine relativ flache Hauptfläche 36 auf, die
durch mehrere erste Erhebungen 38 im rechten Teil 32a und
mehrere zweite Erhebungen 40 im linken Teil 32b unterbrochen
wird. Die Erhebungen 38, 40 weisen einen im Wesentlichen
dreieckigen Querschnitt auf und sind zueinander versetzt angeordnet, so
dass, wenn der rechte Teil 32a über die T Oberseite des linken
Teiles 32b gefaltet wird, wobei sich jede Erhebung 38 zwischen
angrenzenden Erhebungen 40 befindet, die Erhebungen 38 in
Kontakt mit der Hauptfläche 36 des
linken Teiles 32b und die Erhebungen 40 in Kontakt
mit der Hauptfläche 36 des rechten
Teiles 32a sind, wie aus 3 ersichtlich
ist. Die Stirnfläche
jeder Erhebung 38 ist mit der Hauptfläche 36 des linken
Teiles 32b schweißverlötet, wie bei 42 in 3 angedeutet,
und die Stirnfläche
jeder Erhebung 40 ist mit der Hauptfläche 36 des rechten Teiles 32a schweißverlötet, wie
bei 44 in 3 angedeutet. Jeder Kanal 30 ist
durch aneinander angrenzende Erhebungen 38, 40 und
durch die Hauptfläche 36 des
rechten und linken Teiles 32a, 32b begrenzt, wie
dies aus 3 hervorgeht.
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Wie
aus den 4 und 5 hervorgeht, weist
der rechte Teil 32a (der die Oberseite des Rohres 12 definiert)
einen Vorsprung 46 auf, der eine Seite des rechten Teiles 32b (der
die Unterseite des Rohres 12 definiert) überlappt
und so einen Teil der Seite 12d des Rohres 12 formt.
Die Teile 32a, 32b sind weiterhin dadurch miteinander
verbunden, dass der Vorsprung 46 mit dem Teil 32b entlang
der Seite 12d schweißverlötet ist
und dass Schweißlötverbindungen
entlang der Enden 12a, 12b vorgesehen sind. Die
Seite 12c (siehe 2, 3 und 5) ist
durch das Teil 32c (siehe 6) definiert.
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Bei
Benutzung der Erfindung strömt
das wärmeübertragende
Fluid durch die Einlassöffnung 22 in das
Rohr 12 ein, wo es in dem Zulaufkanal 26 strömt. In dem
Zulaufkanal 26 strömt
das genannte Fluid in Richtung des Pfeiles 48 (2).
Auch strömt
das Fluid durch die verschiedenen Kanäle 30, wie durch einen
Pfeil 50 angedeutet ist, in den Ablaufkanal 28, durch
den das Fluid durch die Auslassöffnung 24 aus dem
Rohr 12 herausströmt,
wie durch einen Pfeil 52 angezeigt ist. Daher strömt das wärmeübertragende Fluid
durch das Rohr 12 entlang dessen größerer Ausdehnung im Zulauf-
und Ablaufkanal 26 und 28, wie auch entlang dessen
kleinerer Ausdehnung in den Wärmeübertragungskanälen 30.
Da sich die Kanäle 30 entlang
der kleineren Ausdehnung des Rohres 12 erstrecken, kann
deren Länge
relativ kurz sein kann, so dass der hydraulische Durchmesser eines jeden
Kanales 30 relativ klein sein kann, um einen verbesserten
Wärmeübergang
ohne unerwünschte Druckverluste
zu erzielen. Die Länge
jeden Rohres 12 entlang seiner grö ßeren Ausdehnung ist vorzugsweise
wenigstens sechsmal größer als
die Länge
jeden Kanales 30 entlang der kleineren Ausdehnung des Rohres 12.
Der Wärmeübergang
zwischen dem Fluid im Inneren des Rohres 12 und einem außerhalb des
Rohres strömenden
Fluid, beispielsweise Luft, erfolgt an den meisten Stellen, wenn
das wärmeübertragende
Fluid durch die Kanäle 30 strömt. Wie
aus 2 hervorgeht, weisen Zulauf- und Ablaufkanal 26 und 28 im
Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt auf, und erstrecken
sich über
die gesamte Länge
des Rohres 12, bezogen auf die größere Ausdehnung von Rohr 12.
Die Zulauf- und Ablaufkanäle 26 und 28 weisen
einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt, beispielsweise 3,2258
mm2 bis 129,032 mm2 (0.005–0.200 square
inch) entlang ihrer Länge auf.
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8 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Wärmetauschers 60.
Der Wärmetauscher 60 umfaßt eine
Vielzahl von länglichen
Rohren 62 mit nicht kreisförmigem Querschnitt, die sich
zwischen gegenüberliegenden
Einlass- und Auslassteilen 64 und 66 erstrecken.
Die Rohre 62 sind vorzugsweise aus Metall, beispielsweise
Aluminium oder Kupfer, gefertigt, und weisen eine für kontrolliertes
atmosphärisches
Schweißlöten geeignete Auskleidung
auf. Jedes Rohr 62 ist an seinen gegenüberliegenden Enden 62a, 62b offen.
Die Einlass- und Auslassteile 64 und 66 dienen
als Halteteile und nehmen das Gewicht der Rohre 62 auf.
Die Einlass- und
Auslassteile 64 und 66 weisen Decken- und Bodenverschlüsse 68 auf,
um die Ober- und die Unterseite der Teile 64, 66 zu
verschließen.
Eine Vielzahl von serpentinenähnlichen
Rippen 70, die den Wärmeübergang
verbessern, erstrecken sich zwischen aneinander angrenzenden Rohren 62,
und sind mit diesen, beispielsweise durch Schweißlöten, derart verbunden, dass
sie gehalten werden. Die Rippen 70 sind vorzugsweise aus
Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gefertigt und weisen
den Wärmeübergang
verbessernde jalousienartige Ausformungen 72 auf, wie aus 17 ersichtlich
ist. Außerdem umfaßt der Wärmetauscher 60 eine
Deckenplatte und eine Bodenplatte, die in 8 ebenfalls
nicht dargestellt sind. Die obersten Rippen 70 sind mit
der Deckenplatte und dem obersten Rohr 62 verbunden. Die
untersten Rippen 70 sind mit dem untersten Rohr 62 und
der Bodenplatte verbunden.
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Ein
Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das Einlassteil 64 eine
gekrümmte
Vorderseite 74 und eine profilierte Rückseite, bestehend aus Teilen 76a, 76b und 76c,
aufweist. Analog hierzu weist das Auslassteil 66 eine der
Vorderseite 74 gegenüberliegende
gekrümmte
Vorderseite 78 und eine aus Teilen 80a, 80b und 80c bestehende
profilierte Rückseite
auf. Das Teil 76a springt, bezogen auf eine imaginäre Grundfläche der
Rückseite,
in Richtung auf die Vorderseite 74 hervor und ist mit einem
Ende 62a des Rohres 62, vorzugsweise durch Schweißlöten, verbunden,
um eine Seite des Einlassteiles 64 und die betreffende
Seite des Rohres 62 an dessen Ende 62a zu schließen. Analog
hierzu springt das Teil 80a aus einer imaginären Grundfläche der
Rückseite
in Richtung auf die Vorderseite 78 hervor und ist mit einem
gegenüberliegenden
Ende 62b des Rohres 62, vorzugsweise durch Schweißlöten, verbunden,
um eine Seite des Auslassteiles 66 und die betreffende Seite
des Rohres 62 an dessen Ende 62b zu verschließen. Durch
das Verschließen
einer Seite jeden Rohres 62 an seinem Ende 62a wird
eine Einlassöffnung
auf der offenen Seite des Endes 62a und durch Verschließen einer
Seite jeden Rohres 62 an seinem gegenüberliegenden Ende 62b eine
Auslassöffnung auf
der offenen Seite des Endes 62b defi niert. Die Einlassöffnung befindet
sich an dem zur Auslassöffnung
gegenüberliegenden
Ende des Rohres 62. Die Vorderseiten 74, 78 weisen
mehrere Schlitze auf, um die betreffenden Enden jeder Leitung 62 aufzunehmen.
Das Ende 62a jeder Leitung 62 ragt durch einen zugeordneten
Schlitz in der Vorderseite 74 hindurch, während das
Ende 62b einer jeden Leitung 62 durch den betreffenden
Schlitz in der Vorderseite 78 hindurchragt. Das Ende 62a einer
jeden Leitung 62 ragt soweit durch den betreffenden Schlitz
der Vorderseite 74 hindurch, dass es die Innenwandung der
Rückseite
im Bereich des Teiles 76a berührt, und das Ende 62b einer
jeden Leitung 62 ragt durch den betreffenden Schlitz in
der Vorderseite 78 soweit hindurch, daß es die Innenwandung der Rückseite
im Bereich des Teiles 80a berührt.
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Anhand
der 9 bis 15 wird nachfolgend die Vorgehensweise
beim Zusammenbau jeder Leitung 62 detailierter beschrieben.
Wie 9 zeigt, wird das gewellte Teil 90 aus
einem flachen Metallblech hergestellt, das eine größere Ausdehnung
und eine kleinere Ausdehnung aufweist, und aus dem eine Vielzahl
von Wellungen geformt ist. Das Teil 90 wird anschließend derart
gestaucht, daß die
Wellungen eng aneinander anliegen. Auf diese Weise werden mehrere
Durchlässe 92 mit
tränenförmigen Querschnitten
gebildet, die sich entlang der größeren Ausdehnung des gewellten
Teiles 90 erstrecken. Die gegenüberliegenden Enden 90a und 90b des
Teiles 90 weisen nach außen, wie aus 10 hervorgeht.
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Die
Leitung 62 wird dadurch hergestellt, dass eine relativ
flache Platte 94 (11) zuerst
entlang einer Achse 96a und dann entlang einer Achse 96b gebogen
wird, so dass ein rechtes Teil 94a der Platte 94 (wie
in 11 zu sehen) über
die Oberseite eines linken Teiles 94b der Platte 94 gefaltet
wird. Der Teil 94c der Platte 94 befindet sich
zwischen den Teilen 94a und 94b und wird durch
die Achsen 96a, 96b begrenzt. Die gegenüberliegenden
Seiten der Platte 94 werden durch geringfügig nach
oben gerichtete Kanten 98a und 98b gebildet. Wie
aus den 12 und 14 hervorgeht,
bildet der rechte Teil 94a die Oberseite des Rohres 62 und
der linke Teil 94b die Unterseite des Rohres 62.
Der Teil 94c bildet eine Seite des Rohres 62.
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Nachdem
die Platte 94 gefaltet wurde, wie in 12 dargestellt,
wird das gewellte Teil 90, nachdem es, wie aus 10 ersichtlich,
gestaucht wurde, in die gefaltete Platte 94 eingesetzt.
Die Platte 94 weist eine größere Ausdehnung und eine kleinere Ausdehnung
auf. Auch das gewellte Teil 90 weist eine größere Ausdehnung
und eine kleinere Ausdehnung auf. Die größere Ausdehnung des gewellten Teiles 90 ist
im Wesentlichen die gleiche wie die größere Ausdehnung der Platte 94,
so dass sich das Teil 90 im in die gefaltete Platte 94 eingebauten
Zustand im Wesentlichen über
die gesamte Länge
der Platte 94, also von deren einem Ende zu deren anderen
Ende, erstreckt. Jedoch ist die kleinere Ausdehnung des gewellten
Teiles 90 wesentlich kleiner als die kleinere Ausdehnung
der gefalteten Platte 94, wie aus den 13 und 14 hervorgeht,
so daß an
jeder Seite des Teiles 90 zwischen dem Teil 90 und
der gefalteten Platte ein Zwischenraum 100, 102 vorhanden
ist. Die Kanten 98a, 98b werden dann zusammengepreßt, wie
in 14 dargestellt, und vorzugsweise durch Nahtschweißen entlang
der gesamten größeren Ausdehnung
der gefalteten Platte 94 miteinander verbunden, um die
andere Seite des Rohres 92 zu formen. Das gewellte Teil 90 ist
an der Ober- und an der Unterseite des Rohres 62 mit dessen
ausgekleideter Innenwandung in Kontakt, wie aus den 14, 15 und 15A hervorgeht.
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Das
zusammengebaute Rohr 62 (14) durchläuft dann
einen Schweißlötofen, der
die Auskleidung der Innenwandung des Rohres 62 zum Schmelzen
bringt. Wie durch 103 in 15 dargestellt,
füllt das
geschmolzene Material der Auskleidung die Zwischenräume zwischen
den Wellungen und der Innenwandung des Rohres 62, so dadurch die
Durchlässe 92,
die sich entlang der kleineren Ausdehnung des Rohres 62 erstrecken,
Wärmeübertragungskanäle mit tränenförmigen Querschnitten gebildet
sind. Wenn sich das Schweißlötmaterial 103 verfestigt,
formt es eine sichere Verbindung zwischen dem gewellten Teil 90 und
der Innenwandung der Leitung 62. Unter bestimmten Umständen, wie
in 15A gezeigt, wird das Schweißlötmaterial 103 die
Zwischenräume
zwischen den Wellungen und der Innenwandung des Rohres 62 nicht
vollständig
ausfüllen.
Unter diesen Umständen,
werden im Wesentlichen kreisförmige
zweite Wärmeübertragungskanäle 104 gebildet.
Auch die Kanäle 104 erstrecken
sich entlang der kleineren Ausdehnung des Rohres 62.
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Wie
aus 16 hervorgeht, ist das gewellte Teil 90 in
dem Rohr 62 so angebracht, dass zwischen dem Teil 90 und
den Seiten des Rohres 62 im Wesentlichen entlang der gesamten
größeren Ausdehnung
des Rohres 62 jeweils ein Zwischenraum 100, 102 besteht.
Der Zwischenraum 100 bildet einen Zulaufkanal, der sich
an einer Seite im Wesentlichen über
die gesamte größere Ausdehnung
des Rohres 62 erstreckt. Der Zwischenraum 102 auf
der anderen Seite des Teiles 90 definiert einen Ablaufkanal,
der sich auf der gegenüberliegenden
Seite ebenfalls im Wesentlichen entlang der gesamten größeren Ausdehung
des Rohres 62 erstreckt. Die Wärmeübertragungskanäle 92 mit
den tränenförmigen Querschnitten
erstrecken sich entlang der kleineren Ausdehnung des Rohres 62 und
ste hen in Verbindung mit dem Zulaufkanal 100 und dem Ablaufkanal 102.
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Gemäß eines
Merkmals der Erfindung weist jeder Wärmeübertragungskanal 92 einen
relativ kleinen hydraulischen Durchmesser, beispielsweise 0,254
mm bis 5,08 mm (0.01–0.20
inch) auf. Zulauf- und Ablaufkanal 100, 102 sind
jeweils sowohl in ihrem Querschnitt wie auch in ihrer Länge wesentlich größer als
jeder Wärmeübertragungskanal 92,
so dass ein ausreichender Volumenstrom durch die Kanäle 92 ohne übermäßige Druckverluste
gewährleistet
werden kann. Beispielsweise ist der Querschnitt jeden Kanales 100, 102 vorzugsweise
in einem Berich von ungefähr
5 bis 100 mal größer als
der Querschnitt eines jeden Kanales 92. Die Länge des
Rohres 62 entlang dessen größerer Ausdehnung ist vorzugsweise
wenigstens sechsmal größer als
die Länge
jedes Kanales 92 entlang der kleineren Ausdehnung des Rohres 62.
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Nachfolgend
werden die 8, 18A und 18B erläutert.
Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
strömt
das wärmeübertragende
Fluid vom Einlaßteil 64 durch
die Einlassöffnung
am Ende 62a in das Rohr 62, in dem es in dem Zulaufkanal 100 strömt. Das
Fluid durchströmt
den Zulaufkanal 100 in Richtung der Pfeile 106.
Außerdem
strömt
das Fluid entlang des Rohres 62 durch die verschiedenen
Kanäle 92,
wie durch Pfeile 108 angegeben, in den Ablaufkanal 102.
Das Fluid durchströmt
den Ablaufkanal 102 in Richtung der Pfeile 110.
Das Fluid strömt
durch die Auslassöffnung
am Ende 62b aus dem Rohr 62 heraus in das Auslassteil 66.
Daher durchströmt
das wärmeübertragende
Fluid das Rohr 62 im allgemeinen entlang der größeren Ausdehnung
des Rohres 62 in den Zulauf- und Ablaufkanälen 100, 102 und
im Wesentlichen entlang der kleineren Ausdehnung des Rohres 62 in
den Wärmeübertragungskanälen 92.
Die Wärmeüber tragung
zwischen dem Fluid im Inneren des Rohres 62 und einem außerhalb
des Rohres 62 befindlichen Fluid, beispielsweise Luft,
dass über
die Außenseite des
Rohres 62 strömt,
findet über
den größten Teil statt,
während
das wärmeübertragende
Fluid durch die Kanäle 92 strömt.
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Die
Erfindung gibt einen verbesserten Wärmetauscher mit relativ flachen
Wärmetauscherleitungen
an. Dadurch, dass die Wärmeübertragungskanäle innerhalb
jeder Leitung, bezogen auf die Länge
der zugeordeneten Leitung, relativ kurz sind, können die Wärmeübertragungskanäle zur Verbesserung
der Wärmeübertragungsleistung
relativ kleine hydraulische Durchmesser aufweisen, ohne dass dies
zu unerwünschten
Druckverlusten, die typischerweise mit den bekannten Parallelstromwärmetauscherleitungen
relativ kleiner hydraulischer Durchmesser einhergehen, führt. Diese
ungewollten Druckverluste werden dadurch vermindert, dass jede Leitung
mit Zulauf- und
Ablaufkanälen
versehen ist, die wesentlich größere Querschnitte
als die einzelnen Wärmeübertragungskanäle aufweisen,
so dass die Zulauf- und Ablaufkanäle einen ausreichenden Volumenstrom
durch die Wärmeübertragungskanäle ohne übermäßige Druckverluste
aufrechterhalten. Die vorliegende Erfindung kann für verschiedene
Typen von Wärmetauschern,
wie sie in Luftkonditionieranlagen, Kühl- und Gefriersystemen benutzt
werden, Anwendung finden.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung wurden detailliert beschrieben, auch in Hinblick auf das
Herstellungsverfahren. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die genannten
Ausführungsbeispiele
beschränkt,
da Änderungen
und Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungsformen möglich sind,
ohne den der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken zu verlassen.
Der Schutzumfang der Erfindung wird nur durch die bei liegenden Patentansprüche begrenzt.