EP1256772A2

EP1256772A2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP1256772A2
Application number: EP02010387A
Authority: EP
Inventors: Gottfried Dipl.-Ing. Dürr; Peter Dr. Geskes; Michael Kohl; Andreas Dipl.-Ing. Leister; Kurt Dr.-Ing. Molt; Emil Neumann; Franz Ott; Christian Dipl.-Ing. Rebinger; Wolfgang Seewald
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2002-11-13
Also published as: DE10220532A1; US20020195239A1; EP1256772A3; US6938685B2

Abstract

Ein Wärmetauscher (1) besteht aus mehreren zu einem Wärmetauscherblock oder Scheibenpaket (16) zusammengesetzten Scheiben (4), die jeweils aus paarweise zusammengefügten Blechen (22) gebildet sind und mindestens einen als Kanal ausgebildeten Hohlraum zwischen sich einschließen. Der Hohlraum wird durch die Innenseiten der Bleche (22) begrenzt. In dem Kanal strömt ein inneres Fluid in Längsrichtung der Scheiben (4) und auf der Außenseite der Scheiben strömt ein äußeres Fluid quer zur Strömungsrichtung des inneren Fluids. Jedes Blech (22) weist Erhöhungen (26, 33') aus der Scheibenebene heraus auf, die durch Materialverformung gebildet und sowohl ins Scheibeninnere als auch auf die Scheibenaußenseite gerichtet sind, wobei die auf die Scheibenaußenseite gerichteten Erhebungen (33') als längliche Ausprägungen gestaltet sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der EP 0 935 115 A2 ist ein Wärmetauscher bekannt, der aus wärmeleitenden Platten besteht, die paarweise zusammengefügt sind, und die eine Vielzahl nach außen weisender Rippen aufweisen. Innerhalb eines Paares wärmeleitender Platten sind Durchgänge für ein Kühlmittel gebildet. Außerhalb der Platten strömt senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmittels Luft. Die Rippen verhindern, daß die Luft die Platten geradlinig passiert, und erzeugen eine turbulente Strömung.

In der DE 43 08 858 A1 ist ein Scheibenwärmetauscher beschrieben, dessen Scheiben aus zwei gleichen Blechen bestehen. Diese Bleche besitzen auf beiden Seiten einer Blechebene kegelstumpfförmige Ausprägungen, deren Oberseite an einer entsprechenden Fläche des jeweils nächsten Bleches anliegt. Auf diese Weise werden zwischen den Blechen einer Scheibe und zwischen benachbarten Scheiben Strömungskanäle für die am Wärmetausch beteiligten Fluide gebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellung eine verbesserte Wärmeübertragung bietet.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Ausbildung der Erhöhungen auf der Außenseite der Scheiben als Sicken führt dazu, daß bei geringem luftseitigem Druckabfall eine hohe Wärmeübertragungsleistung erzielt wird. Für die Herstellung entsprechend gestalteter Bleche sind geringe Ziehtiefen zur Erreichung der benötigten Strömungsquerschnitte erforderlich. Dadurch können harte und korrosionsresistente Werkstoffe für die Bleche eingesetzt werden. Harte Werkstoffe bedingen eine geringere erforderliche Wandstärke der Bleche und damit Gewichtsreduktion und/oder höhere Steifigkeit des Wärmetauschers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Sicken in einem Blech unterschiedliche Längen auf. Die Sicken können beispielsweise eine Breite von 1 mm bis 4 mm und eine Länge von 3 mm bis 50 mm haben. Durch diese Ausgestaltung der Sicken wird das äußere Fluid beim Durchströmen des Scheibenpakets sowohl in Längsrichtung als auch senkrecht zur Scheibenoberfläche der Scheiben umgelenkt. Die Strömungsgeschwindigkeit des externen Fluids wird erhöht und dadurch der Wärmeübergang gesteigert. Benachbarte Scheiben sind insbesondere an Berührpunkten zwischen sich überkreuzenden länglichen Erhöhungen miteinander verlötet, wodurch die Stabilität des Verdampfers erhöht ist. Insbesondere sind die Sicken über ihre Länge unterschiedlich hoch ausgebildet, wobei sich überkreuzende Sicken insbesondere in Bereichen mit großer Höhe verlötet sind. Zweckmäßig weisen die Sicken zwei Höhen auf, wobei das Verhältnis der geringen Höhe zur großen Höhe von 0,2 bis 0,8 beträgt. Als besonders günstig wird ein Verlauf der Sicken in einem Winkel von ca. 30° bezogen auf die Anströmrichtung des äußeren Fluids angesehen. In Ausgestaltung der Erfindung sind die auf die Scheibeninnenseite gerichteten Erhöhungen der Bleche als Noppen ausgebildet. Zweckmäßig besitzen die Noppen eine ovale Grundfläche mit einer Breite von 1,5 mm bis 4 mm und einer Länge von etwa 2,5 mm bis 25 mm. Durch diese Ausgestaltung der Noppen ergibt sich eine günstige Strömungsführung für das innere Fluid. Die ovale Ausführung der Noppen bewirkt eine hohe Steifigkeit der Bleche und damit des gesamten Wärmetauschers. Insbesondere sind eine Scheibe bildende Bleche an Berührflächen, die zwischen sich berührenden Noppen gebildet sind, miteinander verlötet. Dies ergibt eine strömungstechnisch günstige feste Verbindung. Der vergrößerte freie Strömungsquerschnitt führt zu einer Verringerung des Druckverlustes im internen Fluid. Es kann zweckmäßig sein, daß die auf die Scheibeninnenseite gerichteten Erhöhungen der Bleche als Sicken ausgebildet sind. Insbesondere sind eine Scheibe bildende Bleche an Berührpunkten zwischen sich überkreuzenden Sicken verlötet.

Die Bleche haben insbesondere eine Wandstärke von 0,25 mm bis 0,40 mm, eine Breite von 35 mm bis 70 mm und eine Länge von 200 mm bis 270 mm.

Zweckmäßig sind in einer Scheibe zwei parallele Kanäle gebildet, die durch auf den Blechen an den Längsseiten angeordnete Randstege und einen in Längsrichtung in der Mitte angeordneten Mittelsteg begrenzt sind, wobei die Stege auf die Scheibeninnenseite ragen und Stege im Inneren und am Rand der Scheiben miteinander verlötet sind. Die Kanäle weisen insbesondere eine Breite von 7,5 mm bis 40 mm auf. Insbesondere bei zur Längsrichtung der Scheibe geneigter Anordnung der Sicken wird ein guter Kondensatablauf erzielt.

Zweckmäßig sind die Erhöhungen in einem Bereich auf dem Blech in einem sich nach einem Längsabschnitt des Blechs wiederholenden Muster auf dem Blech angeordnet. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Strömungsprofil erreicht. Zweckmäßig beträgt die Länge des Längsabschnitts 10 mm bis 35 mm. Insbesondere sind in jedem Längsabschnitt in Längsrichtung eines Blechs zwei auf die Scheibeninnenseite gerichtete Erhöhungen ausgebildet, wodurch eine hohe Stabilität des Wärmetauschers erreicht wird.

Es ist vorgesehen, daß in jedem Längsabschnitt in jedem Kanal zwei auf die Scheibenaußenseite gerichtete Erhöhungen gebildet sind, die insbesondere in Längsrichtung der Scheibe gegeneinander versetzt sind, wobei der Betrag, um den die Erhöhungen gegeneinander versetzt sind, zweckmäßig der Längsteilung entspricht. Dabei kann die Länge der Sicken größer sein als die Längsteilung. Zweckmäßig beträgt das Verhältnis der Querteilung, die die Gesamthöhe einer Scheibe bezeichnet, zur Eintrittsspaltbreite, die die Breite des Spalts, durch den das äußere Fluid zwischen zwei auf der Außenseite benachbarten Scheiben einströmen kann, bezeichnet, 4:3 bis 4:1. Durch die verhältnismäßig geringe Eintrittsspaltbreite wird ein hoher Wärmeübergang auf das äußere Fluid erreicht.

Zweckmäßig sind an mindestens einem Ende der Kanäle Durchzüge ausgebildet, die einen Sammelkanal in Längsrichtung des Wärmetauschers bilden. Insbesondere sind an jedem Ende der Kanäle Durchzüge ausgebildet, so daß bei zwei Kanälen vier Sammelkanäle gebildet sind. Zweckmäßig sind im an den Sammelkanal angrenzenden Bereich eines Blechs Erhöhungen in der Scheibe ausgebildet, die als Einströmnoppen ausgebildet sind, und die insbesondere eine größere Grundfläche als die Noppen aufweisen. Zweckmäßig weisen die Einströmnoppen auf die Scheibeninnenseite. Für Einlaß und Auslaß des inneren Fluids ist vorgesehen, daß sie auf derselben Seite des Wärmetauschers angeordnet sind. Hierdurch ergeben sich günstige Verhältnisse beim Einbau des Wärmetauschers. Zweckmäßig sind die Erhöhungen durch Tiefziehen hergestellt. Es kann jedoch vorteilhaft sein, daß die Erhöhungen durch Prägen hergestellt sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen als Scheibenverdampfer ausgeführten Wärmetauscher in der Ansicht auf die Stirnseite,
Fig. 2: die Darstellung eines mehrere Grundelemente umfassenden Bleches,
Fig. 3: eine Explosionsdarstellung eines aus Scheiben aufgebauten Wärmetauschers,
Fig. 4: eine perspektivische Ausbildung von zwei Blechen, zwischen denen das äußere Fluid strömt,
Fig. 5: einen Ausschnitt einer Ansicht auf eine Scheibe aus den in Fig. 4 dargestellten Scheiben,
Fig. 6: einen Schnitt durch ein Scheibenpaket in einer Ebene entlang der Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7: eine schematische Darstellung des Strömungsverlaufs in dem in Fig. 3 dargestellten Wärmetauscher,
Fig. 8: eine weitere Ausführungsform der Bleche,
Fig. 9: einen Ausschnitt einer Ansicht auf eine Scheibe gemäß Fig. 8,
Fig. 10: eine weitere Ausführungsform der Bleche,
Fig. 11: einen Ausschnitt einer Ansicht auf eine Scheibe gemäß Fig.10,
Fig. 12: eine weitere Ausführungsform der Bleche,
Fig. 13: einen Ausschnitt einer Ansicht auf ein Blech gemäß Fig. 12 mit dargestellten Sicken des angrenzenden Blechs,
Fig. 14: einen Schnitt entlang der Linie XIV-XIV in Fig. 12,
Fig. 15 u. 16: weitere Ausführungsvarianten von Blechen mit unterschiedlichen Sicken,
Fig. 17: eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes des Bleches gem. Fig. 16,
Fig. 18 u. 19: Ausschnitte weiterer Ausführungsvarianten von Sicken/Noppen-Strukturen,
Fig. 20 u. 21: Diagramme zur Darstellung der Wärmeübertragungsleistung und luftseitigem Druckabfall.

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 1 gezeigt, der vorzugsweise als Scheibenverdampfer ausgebildet und Bestandteil einer hier nicht näher beschriebenen Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs ist. Der Scheibenverdampfer 1 weist eine Vielzahl von Scheiben 4 auf, die zu einem Block 10 gestapelt zusammengesetzt sind und jeweils aus zwei miteinander gefügten Blechelementen 2 bestehen. Die Scheiben 4 bilden unter Einfluß eines Hohlraumes Rohrelemente zur Durchleitung eines Kältemittels aus. Die Scheiben 4 sind längs gestreckt ausgebildet und fluidisch miteinander derart verbunden, daß das Kältemittel in Pfeilrichtung 21 den Scheibenverdampfer 1 durchströmt. Um den durch die Pfeile 21 dargestellten Strömungsweg zu erreichen, sind zwischen bestimmten Scheiben 4 Trennwände 19 angeordnet.

An den freien Enden 8, 9 der Scheiben 4 ist jeweils an den die Scheiben 4 bildenden Blechelementen 2 ein Anschlußstutzen 6 ausgebildet, welcher mit dem Anschlußstutzen 6' der jeweils benachbart liegenden Scheibe 4 verbunden ist. Die Scheiben 4 liegen jeweils in überdeckung zueinander in dem Scheibenblock 10, wobei neben den Rippen 33 eine Vielzahl von Zwischenräumen zum Durchtritt von abzukühlender Luft in Richtung der Tiefe des Verdampferblockes gebildet sind. Die Tiefenrichtung ist dabei die Richtung, die senkrecht zur Blattebene der Zeichnung steht, das heißt die Erstreckung des Verdampferblocks in der senkrechten Richtung zu seiner Stirnseite.

Die Blechelemente 2 sind derart geprägt, daß sie nach außen hervorstehende Kühlstege 33 in Form von Rippen aufweisen. Diese Kühlstege 33 befinden sich in Anlage an den spiegelbildlich angeordneten Kühlstegen der jeweils benachbarten Scheibe 4 und sind mit diesen verlötet. Durch das Verlöten ergibt sich nicht nur eine Vergrößerung der Oberfläche der Scheiben, sondern auch eine höhere Festigkeit des Scheibenverdampfers 1. Zusätzlich zu den nach außen gerichteten Ausprägungen der Blechelemente 2 sind auch nach innen gerichtete Noppen 26 vorgesehen.

Die Fig. 2 zeigt ein Blechelement 2, das aus einer Vielzahl von Grundelementen 34 besteht, die über Stege 14, 15 zusammenhängen. Durch Umformen wird in jedem Grundelement 34 eine Einsenkung 25 erzeugt, welche nach dem Zusammenfügen der Blechelemente den Strömungskanal für das Kältemittel bildet. Aus der Ebene der Einsenkung 25 erheben sich in einer Richtung Kühlstege 33 und in der anderen Richtung die Noppen 26. Die Kühlstege 33 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 als geneigt zur Längsrichtung des Grundelementes 34 verlaufende Rippen ausgebildet. Im Bereich der Enden 8, 9 sind auf beiden Seiten der Grundelemente 34 Übertrittsöffnungen 7 ausgespart, welche mit einem entsprechend großen Querschnitt gemeinsam mit den die Scheiben verbindenden Anschlußstutzen 6 einen über die in Fig. 1 gezeigte Teillänge des Scheibenblocks erstreckten Sammelkanal 17 für ein Kältemittel bilden.

Bei der Montage des Scheibenverdampfers werden die Blechelemente 2, die aus einer der gewünschten Tiefe des Verdampferblocks entsprechenden Anzahl an Grundelementen 34 bestehen, im Bereich ihrer Ränder 53 paarweise dicht zusammengefügt unter Einschluß des Hohlraumes zur Leitung des Kältemittels. Die Scheiben können so als Scheibenmodule mit variabler Tiefe ausgeführt werden, die jeweils mehrere Grundelemente 34 umfassen. Das Blechelement 2 wird entsprechend ihrer Länge des Halbzeugs mit einer Vielzahl von Grundelementen 34 beispielsweise durch Stanzen hergestellt. Die Grundelemente 34 hängen einteilig mittels der Stege 14, 15 zusammen, wobei die Stege 14, 15 bevorzugt benachbarte Enden 8, 9 der langgestreckten Grundelemente 34 vorgesehen sind.

Fig. 3 zeigt einen Wärmetauscher 1, der ein Scheibenpaket 16 umfaßt, das aus Blechen 22 aufgebaut ist. Jeweils zwei identische Bleche 22 sind gegeneinander um 180° um die Längsachse gedreht zusammengefügt und bilden so ein Scheibe 4, wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist. Die eine Scheibe 4 bildenden Bleche 22 können auch eine unterschiedliche Struktur aufweisen, insbesondere können zwei spiegelbildlich ausgebildete Bleche zu einer Scheibe zusammengefügt sein. Die Bleche 22 besitzen an ihren in Längsrichtung angeordneten Enden jeweils zwei Durchzüge 18, die in der Breite der Bleche 22 nebeneinander angeordnet sind, und die insgesamt vier Sammelkanäle 17 bilden. Jeder Sammelkanal 17 erstreckt sich in der Breite B des Wärmetauschers 1. Jede Scheibe 4 umfaßt einen Hohlraum, der zwei Kanäle beinhaltet, die durch einen Mittelsteg 13 und zwei Randstege 12 sowie durch die Innenseiten der Bleche 22 begrenzt sind. Die Kanäle erstrecken sich in Längsrichtung der Scheiben 4, d. h. in Richtung der Höhe H des Wärmetauschers 1. Im Inneren der Scheiben 4 strömt in den Kanälen das innere Fluid, beispielsweise ein Kältemittel.

Das äußere Fluid strömt senkrecht zur Strömungsrichtung des inneren Fluids in der durch den Pfeil 3 angegebenen Richtung. Auf den Blechen 22 sind auf die Scheibeninnenseite gerichtete Noppen 26 und auf die Scheibenaußenseite gerichtete als Kühlstege wirkende Sicken 33' angeordnet. Das Scheibenpaket 16 ist aus gestapelten Scheiben 4 aufgebaut. An den auf die Scheibeninnenseiten gerichteten Seiten sind die Bleche 22, die eine Scheibe 4 bilden, an den sich berührenden Noppen 26, dem Mittelsteg 13 und den Randstegen 12 miteinander verlötet. Die einzelnen Scheiben 4 sind an den Berührstellen der Sicken33' und der Durchzüge 18 miteinander verlötet. Die Durchzüge 18 berühren sich an einer Kreisringfläche 49 (Fig. 4), die eine gute Anlagefläche für die Verlötung darstellt. Die Noppen 26 und die Sicken33' sind vorteilhaft durch Tiefziehen oder Prägen hergestellt. Vorteilhaft sind die Stege 12, 13, die durch die Sicken 33' und Noppen 26 gebildeten Erhöhungen und die Durchzüge 18 in einem Werkzeug hergestellt.

Das Scheibenpaket 16 wird auf einer Seite in Richtung der Breite B des Wärmetauschers 1 von einer Endscheibe 56 begrenzt, die aus einem Blech gebildet ist, und die einen Einlaß 11 und einen Auslaß 5 für das innere Fluid aufweist. Der Einlaß 11 und der Auslaß 5 sind als Rohranschlüsse ausgebildet, wobei der Auslaß 5 einen größeren Durchmesser aufweist als der Einlaß 11. An der gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 1 wird das Scheibenpaket 16 von der Endscheibe 57 begrenzt, die ebenfalls aus einem Blech gebildet ist, und die über eine Anschlußscheibe 48 an das Scheibenpaket 16 angeschlossen ist. Die Anschlußscheibe 48 weist zwei Öffnungen auf, die den Öffnungen der beiden unteren Sammelkanäle 17 entsprechen und mit diesen deckungsgleich angeordnet sind. Die Endscheibe 57 weist einen Umlenkkanal 20 auf, der eine fluidische Verbindung zwischen den beiden an ihn angeschlossenen Sammelkanälen 17 herstellt. Der Umlenkkanal 20 kann beispielsweise auch als Rohr ausgeführt sein.

In Fig. 4 sind zwei Bleche 22 dargestellt, zwischen denen das äußere Fluid an der auf die Scheibenaußenseite gerichteten Seite der Bleche 22 in der durch den Pfeil 3 dargestellten Richtung strömt. An der auf die Scheibenaußenseite gerichteten Seite der Bleche 22 sind die Sicken 33' quer zur Längsrichtung der Bleche 22 angeordnet. Die Sicken 33' sind zur Längsachse um einen Winkel geneigt, der vorteilhaft etwa zwischen 20° und 30° liegen kann. Es sind jedoch auch davon abweichende Neigungswinkel möglich. Die Sicken 33' sind in Längsrichtung der Bleche 22 um die Länge des in Fig. 5 dargestellten Längsabschnitts L versetzt. Die Länge des Längsabschnitts L beträgt beispielsweise 17,5 mm. Auch davon abweichende Längen, insbesondere von 15 mm bis 35 mm, können sinnvoll sein, insbesondere bei abweichenden Neigungen der Sicken 33'. Durch die Sicken 33' auf den Außenseiten der Scheiben 4 wird das äußere Fluid beim Passieren des Wärmetauschers 1 in Richtung des Pfeils 3 sowohl in der Breite B als auch in der Höhe H des Wärmetauschers 1 umgelenkt.

An der auf die Scheibeninnenseite gerichteten Seite der Bleche 22, auf der das innere Fluid in der durch den Pfeil 21 angegebenen Richtung strömt, sind Noppen 26 angeordnet. Die Noppen 26 sind im Ausführungsbeispiel im wesentlichen oval geformt und weisen günstig eine Länge von 3 mm bis 7 mm, insbesondere von 4,6 mm, und eine Breite von 2 mm bis 4 mm, insbesondere von 2,7 mm, auf. In Längsrichtung der Bleche 22 sind in einem Längsabschnitt L auf jedem Blech 22 an einem Kanal jeweils zwei Noppen 26 und in einem Abstand in Längsrichtung, der etwa der halben Länge des Längsabschnitts L entspricht, eine Noppe 26 angeordnet. Im an den Durchzug 18 angrenzenden Bereich des Blechs 22 sind zwei auf die Scheibeninnenseite gerichtete Einströmnoppen 54 angeordnet, die eine größere Grundfläche als die Noppen 26 haben. Die an die Einströmnoppen 54 angrenzende Sicke 33' ist aus Platzgründen verkürzt ausgeführt. Die Randstege 12 folgen im Bereich der Durchzüge 18 der Kontur der Durchzüge 18 und gehen im Bereich des Mittelstegs 13 in diesen über, so daß beim Zusammenfügen der Innenseiten benachbarter Bleche 22, die eine Scheibe 4 bilden, jeder Kanal nach oben und nach unten abgeschlossen ist und das innere Fluid nur durch die den Sammelkanal 17 bildenden Durchzüge 18 aus dem bzw. in den Kanal aus- bzw. einströmen kann.

Fig. 5 verdeutlicht die Lage der durch die Sicken 33', 33'' und Noppen 26, 54 gebildeten Erhöhungen in Richtung der Breite B des Wärmetauschers 1. Die Sicken 33' benachbarter Scheiben 4 überkreuzen sich an den drei Berührpunkten 27 jeder Sicke 33'. An den Berührpunkten 27 sind die Sicken 33' miteinander verlötet. Die Noppen 26 sind zwischen den Sicken 33' auf der Gegenseite eines Blechs 22 angeordnet, wobei sich Noppen 26 benachbarter Bleche 22, die eine Scheibe 4 bilden, an Berührflächen 28 flächig berühren und miteinander verlötet sind.

Es kann sinnvoll sein, daß die Noppen 26 sich lediglich punktförmig berühren. Für die Sicken 33' kann es sinnvoll sein, daß diese sich flächig berühren. Die Randstege 12 und die Mittelstege 13 zweier eine Scheibe 4 bildender Bleche 22 berühren sich und sind miteinander verlötet, wobei die Breite der Berührfläche so ausgebildet ist, daß eine gute Verlötung erreicht wird.

Eine Scheibe 4 besitzt eine Höhe, die der Querteilung S_Q entspricht. Die Eintrittsspaltbreite S, durch die das äußere Fluid zwischen zwei Scheiben 4 einströmen kann, beträgt ein Viertel bis drei Viertel, insbesondere etwa ein Drittel, der Querteilung S_Q. Der Pfeil 3, der die Strömungsrichtung des äußeren Fluids durch das Scheibenpaket 16 andeutet, verdeutlicht die Umlenkung des äußeren Fluids durch die Sicken33' in Richtung der Breite B des Wärmetauschers 1.

In Fig. 7 ist die Strömungsrichtung 21 des inneren Fluids durch den in Fig. 3 dargestellten Wärmetauscher 1 dargestellt. Das innere Fluid strömt durch den Einlaß 11 in einen Abschnitt des Sammelkanals 17 in der stromab der Strömungsrichtung des äußeren Fluids angeordneten Kanalreihe 23. Der Einlaß 11 und der Auslaß 5 münden in obere Sammelkanäle 17a, und die auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Kanäle angeordneten Sammelkanäle sind untere Sammelkanäle 17b. Die vier Sammelkanäle 17a, 17b sind durch jeweils eine Trennwand 19 in jeweils zwei Abschnitte geteilt. Das innere Fluid strömt aus dem ersten Abschnitt des oberen Sammelkanals 17a in Kanälen der Kanalreihe 23 in einen Abschnitt des unteren Sammelkanals 17b, von dort in einen vom Einlaß 11 durch eine Trennwand 19 fluidisch abgetrennten Abschnitt des oberen Sammelkanals 17a und durch weitere Kanäle der Kanalreihe 23 in einen weiteren Abschnitt des unteren Sammelkanals 17b der Kanalreihe 23.

In der Endscheibe 57 wird das Fluid von der Kanalreihe 23 in die Kanalreihe 24, die stromauf der Strömungsrichtung des äußeren Fluids angeordnet ist, umgelenkt und strömt in dieser in zur Kanalreihe 23 entgegengesetzter Strömungsrichtung zum Auslaß 5, wo es aus dem Wärmetauscher 1 austritt. Es kann in einem Sammelkanal 17 mehr als eine Trennwand 19 vorgesehen sein. Die Trennwand 19 kann als separates Bauteil ausgeführt sein. Sie kann jedoch auch in einem Blech 22 integriert sein, bei dem beispielsweise anstelle des Durchzugs 18 nur eine Erhöhung als Lötstelle angeordnet ist.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Anordnung der Sicken 33' und der Noppen 26 auf einer Scheibe 4. Zwischen zwei Sicken 33', die zur Längsachse des Blechs 22 geneigt sind, sind jeweils zwei Noppen 26 angeordnet. In einer in Fig. 9 dargestellten Scheibe 4 berühren sich die Sicken 33' an jeweils vier Berührpunkten 29 auf jeder Sicke 33'. In Längsrichtung der Scheiben 4 weisen die Sicken 33' etwa die eineinhalbfache Länge des Längsabschnitts L auf. Die Noppen 26 sind jeweils in einem durch die Sicken 33' zweier benachbarter Scheiben 4 gebildeten Raum angeordnet. Die Noppen 26 berühren sich flächig an Berührstellen 30 und sind miteinander verlötet. Der Mittelsteg 13 weist Verbreiterungen 31 auf und die Randstege 12 Verbreiterungen 32. Die Verbreiterungen 31 und 32 entsprechen etwa in Längsrichtung der Scheibe 4 halbierten Noppen 26. Die Verbreiterungen 31, 32 führen zu einer erhöhten Stabilität der Scheibe 4.

In den Fig. 10 und 11 ist eine weitere Anordnung der Erhöhungen auf einem Blech 51 dargestellt. Die Sicken 33' weisen in Längsrichtung des Blechs 51 eine Länge auf, die etwa drei Vierteln der Länge des Längsabschnitts L entspricht. An jedem Kanal sind zwei Reihen 35 und 35' von Sicken 33' angeordnet, die zur Längsrichtung in entgegengesetzten Winkeln, jedoch um den gleichen Winkelbetrag geneigt sind. Die Noppen 26 sind entsprechend den Noppen 26 in den Fig. 8 und 9 angeordnet. In einer in Fig. 11 dargestellten Scheibe 4 aus Blechen 51 wird eine Sicke 33' der Reihe 35' durch eine Sicke 33' der Reihe 35 eines an der Scheibenaußenseite benachbarten Blechs 51 fortgesetzt. Die Sicken 33' der Reihen 35' und 35 weisen jeweils zwei Berührpunkte 36 zu Sicken 33' benachbarter Scheiben 4 auf. Die Noppen 26 weisen Berührflächen 37 innerhalb einer Scheibe 4 auf. Die Ausbildung der Sicken 33' in zwei Reihen 35 und 3' führt zu einer stärkeren Umlenkung des externen Fluids in Richtung der Breite B des Wärmetauschers 1.

In den Fig. 12 bis 14 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Blechs 41 dargestellt. Die auf die Innenseite einer aus zwei Blechen 41 gebildeten Scheibe ragenden Erhöhungen sind als Sicken 44 ausgebildet. Die auf die Außenseite der Scheiben ragenden Sicken 45 weisen teilweise eine geringe Höhe a und in einem Mittelbereich eine große Höhe b auf (Fig. 14). Das Verhältnis der geringen Höhe a zur großen Höhe b beträgt insbesondere 0,2 bis 0,8.

Die Sicken 44 und 45 sind an jedem Kanal in zwei Reihen 42, 43 angeordnet, wobei die Sicken 44, 45 in einer Reihe 42 in entgegengesetzter Richtung, jedoch um den gleichen Winkelbetrag zur Längsrichtung geneigt sind, wie die Sicken in einer Reihe 43.

In Längsrichtung des Blechs 41 sind abwechselnd auf die Innenseite einer Scheibe gerichtete Sicken 44 und auf die Außenseite gerichtete Sicken 45 angeordnet. In jedem Längsabschnitt L ist dabei in jeder Reihe eine Sicke 44 und eine Sicke 45 angeordnet.

In Fig. 13 ist ein Blech 41 mit den nach außen gerichteten Sicken 45 eines benachbart angeordneten Bleches 41 dargestellt. Diese Anordnung ergibt sich durch das Zusammenfügen zweier identischer, um 180° um die Längsachse gegeneinander verdrehter Bleche. Die Sicken 45 benachbarter Bleche 41 sind dabei an Berührpunkten 46 verlötet und die Sicken 44 an Berührpunkten 47. Um Berührflächen zu erreichen, können jedoch auch Bleche 41 mit Blechen mit spiegelbildlicher Anordnung der Sicken 44, 45 zu Scheiben zusammengefügt werden.

In Fig. 15 ist ein Blech 50 dargestellt, das ebenfalls für den in Fig. 3 dargestellten Wärmetauscher 1 Verwendung finden könnte. Dieses Blech 50 weist an den Längsenden die Durchzüge 18 auf, die im zusammengesetzten Stapel die Sammelkanäle 17 bilden. Entlang des Randes des Bleches 50 erstrecken sich die Randstege 12 und entlang der Längsmittelebene erstreckt sich der Mittelsteg 13. In den Bereichen jeweils zwischen einem Randsteg 12 und dem Mittelsteg 13 ist eine regelmäßige Anordnung von Sicken 52, 52' und Noppen 55 vorgesehen, wobei die Sicken 52, 52' in einer Richtung aus der Blechebene heraus geformt sind und in die entgegengesetzte Richtung sich die Noppen 55 erstrecken. Wie aus Fig. 15 ersichtlich ist, weisen die Sicken 52 eine Länge auf, die so bemessen ist, daß diese etwa der Hälfte des Abstandes zwischen dem Mittelsteg 13 und dem Randsteg 12 entspricht. Da in Längsrichtung des Bleches 50 gesehen zwischen zwei Reihen hintereinander liegender Sicken 52 eine Sicke 52* versetzt angeordnet ist, sind fluchtend zu dieser versetzten Sicke 52* kurze Sicken 52' vorgesehen. Zwischen jeweils zwei zueinander verlaufenden Sicken 52, 52*, 52' sind die Noppen 55 angeordnet.

Eine Ausführungsvariante des Blechs 50 ist in Fig. 16 gezeigt, wobei die Grundfläche des Blechelementes 50 mit derjenigen gemäß Fig. 15 übereinstimmt. Anders ist jedoch die Anordnung von Sicken 58 und 58', die jeweils bezüglich ihrer Längsrichtung unter einem Winkel α zur Anströmrichtung gemäß Pfeil 3 verlaufen, wobei gemäß Darstellung in Fig. 17 die Sicken 58 schräg nach oben und die Sicken 58' schräg nach unten verlaufend sind. Somit bilden jeweils vier derartiger Sicken 58, 58' im wesentlichen eine Rautenanordnung, wobei innerhalb dieser Raute zwei gekreuzte Sicken 59 vorgesehen sind. Benachbart zu den Randstegen 12 und dem Mittelsteg 13 sind V-förmig angeordnete, relativ kurze Sicken 60 vorgesehen. Zwischen den verschiedenen Sicken 58, 58', 59 und 60 befinden sich die aus der Blechebene zur anderen Seite hin geformten Noppen 55.

Die Fig. 18 und 19 zeigen weitere Ausführungsvarianten eines Bleches 50, wobei in den Fig. 18 und 19 jeweils lediglich ein mittlerer Ausschnitt des sich in der Länge erstreckenden Bleches 50 dargestellt ist. In beiden Ausführungen sind Sicken 61, 62 und 63 vorgesehen, die unterschiedliche Länge besitzen, wobei relativ längere Sicken 61, mittlere Sicken 62 und relativ kurze Sicken 63 mit unterschiedlichem Winkel zur Anströmrichtung gemäß Pfeil 3 angeordnet sind. Es ist ersichtlich, daß die Dichte der Sicken 61, 62, 63 in Fig. 19 wesentlich größer ist als in Fig. 18, wodurch nicht nur die wärmeübertragende Oberfläche vergrößert, sondern auch, allerdings nur in begrenztem Maße, der luftseitige Druckabfall beeinflußt wird. Wie außerdem aus Fig. 19 deutlich wird, sind dort an bestimmten Stellen benachbart zu den Randstegen 12 und dem Mittelsteg 13 gekreuzte Sicken 64 angeordnet.

Wie aus den Fig. 15 bis 19 ersichtlich ist, sind die zur Scheibeninnenseite gerichteten Noppen oval geformt, während die Außensicken eine längliche Form haben. Dabei verlaufen die Sicken vorzugsweise in einem Winkel von etwa 30° zur Strömungsrichtung des zwischen den Scheiben hindurchtretenden Fluids, was strömungstechnisch besonders günstig ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß durch die Wahl der Sickenhöhe und des genannten Winkels keine Ablenkung der Luft in Längsrichtung der Scheiben erfolgt, so daß auch keine spürbare Verlängerung des Strömungsweges zwischen den Scheiben auftritt. Sofern der äußere Druckabfall verringert und die Strömungsverteilung über die Scheibenhöhe vergleichmäßigt werden soll, ist es zweckmäßig, die Anzahl der sich auf der Außenseite überkreuzenden Rippen zu minimieren, wobei selbstverständlich auf die ausreichende Festigkeit und Verlötbarkeit zu achten ist. Durch die Minimierung der Lötmenisken werden ungünstige Geschwindigkeitsspitzen der Strömung im Bereich der Lötmenisken und Totgebiete in der Strömungsverteilung vermieden.

Als besonders zweckmäßig hat sich auch erwiesen, die Sicken bezüglich ihrer Länge eher kürzer zu bemessen und gegenüber jeweils aufeinander folgenden Sicken zu versetzen. Als vorteilhaft wird auch angesehen, Sicken unterschiedlicher Längen in einem vorgegebenen Muster anzuordnen, wie dies beispielsweise in den Fig. 18 und 19 dargestellt ist. Beispielsweise können derartige Sicken mit einer Länge von etwa 3 mm und einer Breite von etwa 1 mm ausgeführt sein. Dabei sollte die Höhe der Sicken maximal die Hälfte einer Eintrittsspaltbreite zwischen zwei benachbarten Scheiben betragen. Die Noppen 26 auf der Innenseite besitzen eine ovale Form mit einer Breite von ca. 1,5 mm und einer Länge von ca. 2,5 mm.

Die in Fig. 15 und 16 dargestellten Bleche 50 eignen sich insbesondere für Scheiben eines Scheibenverdampfers, bei denen die Scheibe eine Mindestbreite von 20 mm und eine Mindestlänge von 100 mm besitzt. Die Länge eines Längsabschnittes, innerhalb dessen sich die innere und äußere Struktur von Erhebungen wiederholt, beträgt mindestens 10 mm. In Fig. 20 ist ein Diagramm gezeigt, in welchem der luftseitige Druckabfall Δp sowie die Wärmeübertragungsleistung Q bezogen auf verschiedene Ausführungsformen der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele eingetragen ist. Es ist ersichtlich, daß bei nahezu konstanter Wärmeübertragungsleistung Q der luftseitige Druckabfall Δp je nach Ausführungsform deutlich unterschiedlich sein kann. Dabei steht die Angabe in der Ebene I für die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 8 bis 11 gegenüber dem deutlich niedrigeren Druckabfall in der Ebene II für die Fig. 12 bis 14 und dem noch weiter reduzierten Druckabfall in der Ebene III für die Ausführungen gemäß Fig. 15 bis 19.

In dem in Fig. 21 gezeigten Diagramm ist wiederum der luftseitige Druckabfall Δp und die Wärmeübertragungsleistung Q in Prozent angegeben und über der Querteilung S_Q bzw. Luftspaltbereite S angegeben. Es wird daraus ersichtlich, daß der luftseitige Druckabfall ganz wesentlich von der Luftspaltbreite abhängt und eine befriedigende Wärmeübertragungsleistung und ein akzeptabler Druckabfall lediglich im Bereich zwischen 1/3 und 2/3 der Querteilung S_Q bzw. der Spaltbreite S zu verzeichnen ist.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere Kältemittelverdampfer (1), mit mehreren zu einem Wärmetauscherblock (10) oder Scheibenpaket (16) zusammengesetzten Scheiben (4), die jeweils aus paarweise zusammengefügten Blechen (2, 22, 41, 50) gebildet sind und mindestens einen als Kanal ausgebildeten Hohlraum zwischen sich einschließen, der durch die Innenseiten der Bleche (2, 22, 41, 50) begrenzt wird, wobei in dem Kanal ein inneres Fluid in Längsrichtung der Scheiben (4) strömt und auf der Außenseite der Scheiben (4) ein äußeres Fluid im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung (21) des inneren Fluids strömt und wobei jedes Blech (2, 22, 41) Erhöhungen (26, 33, 33', 44, 45, 52, 52*, 52', 55, 58 bis 64) aus der Blechebene heraus aufweist, die durch Materialverformung gebildet sind, und wobei die Bleche (2, 22, 41, 50) sowohl ins Scheibeninnere als auch auf die Scheibenaußenseite gerichtete Erhöhungen (44, 45, 52, 52*, 52', 55, 58 bis 64) umfassen und dabei die auf die Scheibenaußenseite gerichteten Erhebungen (33, 33', 45, 52, 52', 52*, 58 bis 63) als längliche Ausprägungen, insbesondere in Form von Sicken gestaltet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (33, 33', 52, 52', 58 bis 63) in einem Blech (22, 41, 50) unterschiedliche Längen aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (33, 33', 52, 52', 58 bis 63) eine Breite von 1 mm bis 4 mm und eine Länge von 3 mm bis 50 mm haben.
Wärmetauscher nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Scheiben (4, 38, 39, 40) an Berührpunkten (27, 29, 36,) zwischen sich überkreuzenden Sicken (33, 33', 45, 52, 58 bis 63) miteinander verlötet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (45) über ihre Länge unterschiedlich hoch ausgebildet sind, wobei sich überkreuzende Sicken (45) insbesondere in Bereichen mit großer Höhe (b) verlötet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (45) zwei Höhen aufweisen, wobei das Verhältnis der geringen Höhe (a) zur großen Höhe (b) 0,2 bis 0,8 beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Scheibeninnenseite gerichteten Erhöhungen der Bleche (2, 41, 50) als Noppen (26, 55) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen (26, 55) eine ovale Grundfläche mit einer Breite von 1,5 mm bis 4 mm und einer Länge von 2,5 mm bis 25 mm besitzen.
Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe (4) bildende Bleche (2, 22, 41, 50) an Berührflächen (28, 30, 37), die zwischen sich berührenden Noppen (26, 55) gebildet sind, miteinander verlötet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Scheibeninnenseite gerichteten Erhöhungen der Bleche (41) als Sicken (44) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe bildende Bleche (41) an Berührpunkten (47) zwischen sich überkreuzenden Sicken (44) verlötet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (2, 22, 41, 50) eine Wandstärke von 0,25 mm bis 0,40 mm, eine Breite von 20 mm bis 75 mm und eine Länge von 100 mm bis 270 mm haben.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß in einer Scheibe (4) zwei parallele Kanäle gebildet sind, die durch auf den Blechen (22, 41, 50) an den Längsseiten angeordnete Randstege (12) und einen in Längsrichtung in der Mitte angeordneten Mittelsteg (13) begrenzt sind, wobei die Stege (12, 13) auf die Scheibeninnenseite ragen und die Stege (12, 13) im Inneren und am Rand der Scheiben (4) miteinander verlötet sind, wobei die Kanäle vorzugsweise eine Breite von 7,5 mm bis 40 mm aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (33, 33', 44, 45, 52, 58 bis 63) geneigt zur Längsrichtung der Scheibe (4) angeordnet sind, wobei der Winkel (α) bezogen auf die Orthogonale zur Anströmfläche des Wärmetauscherblocks (10) oder Scheibenpaketes (16) vorzugsweise etwa 30° beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (26, 33, 33', 44, 45, 52, 55, 58 bis 63) an dem Blech (2, 22, 41, 50) in einem sich nach einem Längsabschnitt (L) des Blechs (2, 22, 41, 50) wiederholenden Muster angeordnet sind, wobei die Länge des Längsabschnitts (L) 10 mm bis 35 mm beträgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Längsabschnitt (L) in Längsrichtung eines Blechs (2, 22, 41, 50) mindestens zwei auf die Innenseite gerichtete Erhöhungen (26, 55) an einem Blech (22, 41, 50) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querteilung (S_Q), die die Gesamthöhe einer Scheibe (4) bezeichnet, zur Eintrittsspaltbreite (S), die die Breite des Spalts bezeichnet, durch den das äußere Fluid zwischen zwei auf der Außenseite benachbarten Scheiben (4) einströmen kann, 4:3 bis 4:1 beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (26, 33, 33', 44, 45, 52, 55, 58 bis 63) durch Tiefziehen hergestellt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß eine regelmäßige Anordnung aus die Form einer Raute bildenden Sicken (58, 58'), zwei innerhalb der Rautenfläche angeordneten gekreuzten Sicken (59) und benachbart zu den Randstegen (12) und dem Mittelsteg (13) angeordneten V-förmigen Sicken (60) gebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (61, 62, 63) zum Teil fluchtend und zum Teil versetzt zueinander verlaufen.