[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit
einem aus Flachrohren und Wellrippen bestehenden, gelöteten Wärmeübertragemetz nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bekannt durch die Figur 6B aus
US 6,308,527 B1.
[0002] Bei den bekannten Wärmeübertragem für Kräftfahrzeuge wie Kühlmittelkühlem, Heizkörpern,
Kondensatoren und Verdampfern werden die Flachrohre von einem flüssigen und/oder dampfförmigen
Medium, z. B. einem Kühlmittel oder Kältemittel durchströmt, welches seine Wärme an
die Umgebungsluft abführt oder Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt. Insofern stehen
zwei sehr unterschiedliche Wärmekapazitätsströme miteinander in Wärmeaustausch. Um
ein Gleichgewicht zwischen beiden Seiten herzustellen, muss man auf der Luftseite
zusätzliche Maßnahmen ergreifen, um dort die Wärmeübertragung zu verbessern. Dies
geschieht durch die Anordnung von Wellrippen zwischen den Flachrohren, wodurch die
Wärmeaustauschfläche auf der Luftseite vergrößert wird. Darüber hinaus ist die Fläche
der Wellrippen geschlitzt, d. h. mit Kiemen besetzt, die die sich bildenden Grenzschichtströmungen
aufbrechen und eine Umlenkung der Luftströmung von einem Strömungskanal in den anderen
und damit eine Verlängerung des Strömungsweges für die Luft bewirken.
[0003] Bei den Wellrippen gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Typen, den so genannten
V-Typ mit schräg zu einander angeordneten Rippenflächen, bekannt durch die
US-A 3,250,325. Die zweite Ausbildungsform der Wellrippe ist der so genannte U-Typ, bei welchem
die Rippenflächen und damit auch die auf ihnen angeordneten Kiemen parallel zueinander
ausgerichtet sind-dieser U-Typ wurde durch die
US-A 5,271,458 bekannt. Thermodynamisch gesehen weist der U-Typ einige Vorteile gegenüber dem V-Typ
auf, nämlich eine relativ gleichmäßige Durchströmung des etwa rechteckförmigen Rippenkanals,
eine gleichmäßige Strömungsumlenkung durch die Kiemen, einen höheren Luftdurchsatz
und damit eine höhere Wärmeübertragungsleistung. Fertigungstechnisch gesehen ist der
V-Typ vorteilhafter, weil mit einem konstanten Rippenbiegeradius für den Wellenkamm
durch Raffen oder Auseinanderziehen des Wellbandes verschiedene Rippendichten hergestellt
werden können. Beim U-Typ dagegen, d. h. der so genannten Parallelrippe ist durch
den Biegeradius des Wellenkammes auch die Rippendichte bzw. der Rippenabstand festgelegt.
Nachteilig bei der bekannten Parallelrippe ist ferner, dass die Kiemenlänge abhängig
ist vom Rippenbiegeradius, d. h. je größer der Radius ist, desto kürzer fällt die
Kieme aus, was sich leistungsmindernd auswirkt.
[0004] Man hat daher vorgeschlagen, den Rippenbiegeradius durch ein flaches Stück zu ersetzen,
welches parallel zur Rohrwandung verläuft und mit dieser verlötet ist. Die Herstellung
einer solchen rechteck- oder mäanderförmigen Wellrippe ist relativ aufwendig - entsprechende
Herstellungsverfahren wurden in der
EP-B 0 641 615 und in der
EP-A 1 103 316 vorgeschlagen. Diese "Rechteck-Rippe" hat zwar den Vorteil, dass sich die Kiemen
fast über die gesamte Rippenhöhe (Abstand von Rohr zu Rohr) erstrecken, allerdings
wird dies mit einem hohen Fertigungsaufwand erkauft.
[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten
Art, insbesondere mit einer Parallelrippe dahingehend zu verbessern, dass die Parallelrippe
die Vorteile einer Rechteckform aufweist, die gegebenenfalls große Kiemenlängen erlaubt,
jedoch mit relativ geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist.
[0006] Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 1. Der
bekannte, durch eine konstante Krümmung gebildete Wellenkamm ist erfindungsgemäß durch
ein Bogenstück ersetzt, welches sich aus drei Abschnitten unterschiedlicher Krümmungen
zusammensetzt: Der mittlere Abschnitt hat eine vergleichsweise kleine Krümmung, d.
h. er ist fast eben ausgebildet und liegt somit weitestgehend an der Außenfläche der
Rohrwand an. Der Krümmungsradius des Bogenstücks ist in dem mittleren Bereich größer
als eine Rippenhöhe RH der Wellrippe, besonders bevorzugt das 5- bis 15fache der Rippenhöhe
RH.
[0007] An diesen mittleren Abschnitt schließen sich zwei äußere Abschnitte mit relativ großen
Krümmungen an, wobei die beiden Krümmungen unterschiedlich sein können, so dass das
gesamte Bogenstück einen asymmetrischen Verlauf zur Mittelebene aufweist. Ein erster
äußerer Abschnitt weist einen Krümmungsradius R2 auf, der kleiner als eine halbe Rippenhöhe
RH der Wellrippe, besonders bevorzugt 3 bis 20 % der Rippenhöhe RH, ist. Ein. Krümmungsradius
R3 des zweiten äußeren Abschnitts des Bogenstückes ist größer als der Krümmungsradius
R2 des ersten äußeren Abschnitts.
[0008] Diese Rippengeometrie, insbesondere die des Bogenstückes lässt sich relativ einfach
auf herkömmlichen Rippenwalzen herstellen. Darüber hinaus werden die Vorteile einer
Parallel- bzw. Rechteckrippe beibehalten, d. h. eine relativ breite Lötfläche mit
gutem Wärmeübergang und gegebenenfalls eine große Kiemenlänge, die sich fast über
die gesamte Rippenhöhe erstreckt. Wenn die Rippenflächen etwas (bis etwa 6 Grad) von
der Parallelität abweichen, wobei sie dann im Rahmen der Erfindung noch als im Wesentlichen
parallel anzusehen sind, werden dadurch die thermödynamischen Vorteile der Parallelrippe
kaum beeinträchtigt. Die erfindungsgemäße Rippengeometrie ist insbesondere bei Kraftfahrzeug-Wärmeübertragern
wie Kühlmittelkühlem, Heizkörpern, Kondensatoren und Verdampfern anwendbar.
[0009] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Rippenflächen mit Kiemen
besetzt, die bevorzugt eine Kiementiefe LP in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 mm, besonders
vorteilhaft in einem Bereich von 0,7 bis 1,1 mm, bei einem Kiemenwinkel zwischen 20
und 35 Grad, besonders vorteilhaft zwischen 24 und 30 Grad, aufweisen. Solche Kiemen
wirken leistungssteigernd, weil dadurch die Umlenkung der Luft von einem Kanal in
den benachbarten verbessert wird, wodurch sich wiederum ein längerer Strömungsweg
für die Luft ergibt.
[0010] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nach den Unteransprüchen 4 bis
7 ergeben weitere Leistungssteigerungen, insbesondere bei einem 12 bis 20 mm tiefen
Rohr/Rippensystem bei einer Rippendichte von 55 bis 75 Rippen/dm, was einem Rippenabstand
bzw. einer Rippenteilung von 1,33 bis 1,82 mm entspricht. Die Rippenhöhe für dieses
System liegt im Bereich von 3 bis 15 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis
10 mm.
[0011] Nach einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kiementiefe
im Bereich von 0,9 bis 1,1 mm bei einem Kiemenwinkel von 23 bis 30 Grad günstig für
ein Rohr-/Rippensystem mit einer Tiefe von 40 bis 52 mm bei einer Rippendichte von
45 bis 65 Rippen/dm, was einem Rippenabstand von 1,538 bis 2,222 mm entspricht. Die
Rippenhöhe für ein solches System beträgt vorteilhafterweise 7 bis 9 mm.
[0012] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im
Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
- Fig. 1
- einen Querschnitt durch eine Parallelrippe,
- Fig. 2
- einen Längsschnitt durch die Parallellrippe in der Ebene II-II gemäß Fig. 1 und
- Fig. 3
- einen weiteren Längsschnitt in der Ebene III-III gemäß Fig. 2.
[0013] Fig. 1 zeigt eine so genannte Parallelrippe 1, die zwischen zwei nur teilweise dargestellten
Flachrohren 2, 3 verläuft. Die Parallel- oder Wellrippe 1 und die Flachrohre 2, 3
bilden ein nicht dargestelltes gelötetes Netz eines Wärmeübertragers, z. B. eines
Kühlmittelkühlers zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges oder
eines Kondensators für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage. Die Wellrippe 1 weist jeweils
zwei parallel zueinander angeordnete, ebene Rippenflächen 4, 5 auf, welche durch ein
Bogenstück 6 verbunden sind. Das Bogenstück 6 liegt jeweils an den Flachrohren 2,
3 an und ist mit diesen verlötet. Die ebenen Rippenflächen 4, 5 sind mit Kiemen 7
besetzt, die eine Längserstreckung LL aufweisen. Die Wellrippe 1 hat eine Rippenhöhe
RH, die größer als die Kiemenlänge LL ist. Die Rippenflächen 4, 5, das Bogenstück
6 und die Rohrwand 2, 3 bilden jeweils einen etwa rechteckförmigen Rippenkanal 8.
Die Wellrippe 1 weist eine bestimmte Rippendichte auf, die durch die Rippenteilung,
d. h. das Maß FP gekennzeichnet ist. FP ist der reziproke Wert der Rippendichte, d.
h. einer Rippendichte von 50 Rippen/dm entspricht eine Rippenteilung von FP = 2 mm.
Das Bogenstück 6 setzt sich aus drei Bogenabschnitten zusammen, nämlich einem mittleren
Abschnitt 6a und zwei angrenzenden äußeren Abschnitten 6b, 6c. Alle drei Abschnitte
werden durch Radien gebildet, wobei der mittlere Abschnitt einen relativ großen Radius
R1 von etwa 50 bis 70 mm aufweist. Die beiden äußeren Radien R2 und R3 sind erheblich
kleiner, d. h. der Radius R2 liegt im Bereich von 0, 4 bis 0,6 mm, während der Radius
R3 größer gegenüber dem Radius R2 ist. R3 liegt im Bereich von 0,6 bis 1,1 bzw. 1,3
mm. Durch diese Ausbildung des Bogenstückes 6 ergibt sich einerseits eine relativ
breite Lötfläche F, andererseits eine relativ große Kiemenlänge LL, was günstig für
die Wärmeübertragung ist. Darüber hinaus lässt sich eine derartige Parallelrippe,
dessen Bogenstück 6 die genannten Dimensionen aufweist, einfach auf herkömmlichen
Rippenwalzen herstellen.
[0014] Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt in der Ebene II-II, d. h. durch den Rippenkanal 8. Die Rippenfläche
5 weist ein Kiemenfeld 9 auf, welches sich aus einer Vielzahl von einzelnen Kiemen
7 zusammensetzt. Die Rippe 5 weist eine Rippentiefe RT auf, d. h. eine Erstreckung
in Luftströmungsrichtung X.
[0015] Fig. 3 zeigte einen Schnitt in der Ebene III-III in Fig.2, d. h. durch das Kiemenfeld 9
der Rippenfläche 5. Das Kiemenfeld besteht aus vorderen, in der Zeichnung nach rechts
ansteigenden Kiemen 7a, einer mittleren dachförmigen Doppelkieme 7b und hinteren nach
rechts abfallenden Kiemen 7c. Die Kiemen 7a, 7b, 7c sind jeweils unter einem Kiemenwinkel
α geneigt. Die Kiemen 7a, 7c weisen, gemessen in Luftströmungsrichtung X ein Maß LP
auf, welches als Kiementiefe bezeichnet wird. Durch die Kiemen 7 wird die Grenzschicht
der Luftströmung in den Rippenkanälen aufgebrochen und von einem Rippenkanal 8 in
den benachbarten Rippenkanal umgelenkt. Dadurch ergibt sich für die Luftströmung ein
längerer Strömungsweg, der den Wärmeübergang erhöht. Die Umlenkung der Luftströmung
ist vom Kiemenwinkel α und von der Kiementiefe LP abhängig.
[0016] Nach der Erfindung sind für die oben beschriebene Parallelrippe zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele
mit folgenden Abmessungen optimal:
Erstes Ausführungsbeispiel
[0017] Das erste Ausführungsbeispiel betrifft einen Kondensator für eine Klimaanlage eines
Kraftfahrzeuges. Die Flachrohre des Kondensators werden somit von Kältemittel, z.
B. R 134a durchströmt. Für einen solchen Kondensator ist ein Warmeübertragernetz,
bestehend aus Flachrohren und einer Parallelrippe mit folgenden Abmessungen vorgesehen:
Rippentiefe RT: 12 ≤ RT ≤ 20 mm.
Rippenteilung FP: 1,33 mm ≤ FP ≤ 1,818 mm,
entsprechend einer Rippendichte von 55 bis 75 Rippen/dm,
Kiemenwinkel α: 24° ≤ α ≤ 30°,
Kiemenlänge LL: 6,4 mm ≤≤ LL ≤ 7,2 mm,
Rippenhöhe RH: 6 mm ≤ RH ≤ 10 mm,
Kiementiefe LP: 0,7 mm ≤ LP ≤ 1,1 mm,
Verhältnis von Kiementiefe LP zu Rippenteilung FP: 0,385 ≤ LP/FP ≤ 0,825,
Krümmungsradius R1 des mittleren Bogenstückabschnitts:
Krümmungsradius R2 des ersten äußeren Bogenstückabschnitts:
Krümmungsradius R3 des zweiten äußeren Bogenstückabschnitts:
[0018] Ein Parallelrippensystem mit den vorgenannten Abmessungen ist einem herkömmlichen
Rippensystem mit V-förmig angeordneter Rippe in vielen Punkten überlegen, und zwar
hinsichtlich des Luftdurchsatzes, der Strömungsumlenkung, der Homogenisierung des
Strömungsgeschwindigkeits- und Temperaturprofils und somit der Wärmeübertragungsleistung.
Zweites Ausführungsbeispiel
[0019] Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft einen Kühlmittelkühler, der bei Kraftfahrzeugen
im Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Verbrennungsmotors eingebaut und von Kühlmittel,
d. h. einem Wasser/Glysantin-Gemisch durchströmt wird. Zwischen den vorzugsweise in
einer Reihe angeordneten Flachrohren sind Parallelrippen mit folgenden Abmessungen
vorgesehen:
Rippentiefe RT: 40 ≤ RT ≤ 52 mm
Rippenteilung FP: 1.538 ≤ FP ≤ 2,222 mm,
entsprechend einer Rippendichte von 45 bis 65 Rippen/dm
Kiemenwinkel α: 23°≤ α ≤ 30°
Kiemenlänge LL: 6,5 ≤ LL ≤ 7,2 mm
Rippenhöhe RH: 7 ≤ RH ≤ 9 mm
Kiementiefe LP: 0,9 ≤ LP ≤ 1,1 mm
Verhältnis Kiementiefe LP zu Rippenteilung LP: 0,405 ≤ LP/FP ≤ 0,715.
Krümmungsradius R1 des mittleren Bogenstückabschnitts:
Krümmungsradius R2 des ersten äußeren Bogenstückabschnitts:
Krümmungsradius R3 des zweiten äußeren Bogenstückabschnitts:
[0020] Auch dieses gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel wesentlich tiefere System bringt
eine deutliche Leistungssteigerung gegenüber einer vergleichbaren V-Rippe.
1. Wärmeübertrager, insbesondere Kühlmittelkühler oder Kondensator für Kraftfahrzeuge,
mit einem aus Flachrohren (2, 3) und Wellrippen (1) bestehenden, gelöteten Wärmeübertragernetz,
wobei die Flachrohre (2, 3) von einem flüssigen und/oder gasförmigen Medium durchströmbar
und die Wellrippen (1) von Luft umströmbar sind, wobei eine Wellrippe (1) jeweils
zwei im Wesentlichen parallel zu einander angeordnete Rippenflächen (4, 5) aufweist,
die jeweils durch ein mit einem Flachrohr (2, 3) verlötetes Bogenstück (6) verbunden
sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Bogenstück (6) in einem mittleren Abschnitt (6a) eine geringere Krümmung aufweist
als in einem ersten äußeren Abschnitt (6b) und in einem zweiten äußeren Abschnitt
(6c), wobei das Bogenstück (6) in dem mittleren Abschnitt (6a) einen Krümmungsradius
R1 aufweist, der größer als eine Rippenhöhe RH der Wellrippe (1) ist, und das Bogenstück
(6) in dem ersten äußeren Abschnitt (6b) einen Krümmungsradius R2 aufweist, der kleiner
als eine Hälfte einer Rippenhöhe RH der Wellrippe (1) ist, und das Bogenstück (6)
in dem zweiten äußeren Abschnitt (6c) einen Krümmungsradius R3 aufweist, der größer
einem Krümmungsradius R2 in dem ersten äußeren Abschnitt (6b) ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenflächen (4,5) mit Kiemen (7) besetzt sind.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kiemen (7, 7a, 7c) eine Kiementiefe LP in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 mm und
einen Kiemenwinkel α im Bereich von 20° bis 35° aufweisen.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippe (1) eine Rippenteilung FP im Bereich von 1 bis 3 mm aufweist.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippe (1) eine Rippentiefe RT im Bereich von 10 bis 70 mm, vorzugsweise 12
bis 20 mm oder 40 bis 64 mm aufweist.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kiementiefe LP zu Rippenteilung FP in einem Bereich von 0,385
bis 0,825 liegt.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippe (1) eine Rippenhöhe RH in einem Bereich von 3 bis 15 mm, vorzugsweise
6 bis 10 mm aufweist.
1. A heat exchanger, in particular a coolant refrigerator or condenser for motor vehicles,
with a soldered heat exchanger network consisting of flat tubes (2, 3) and of corrugated
ribs (1), wherein a liquid and/or gaseous medium being capable of flowing through
the flat tubes (2, 3) and air being capable of flowing around the corrugated ribs
(1), wherein a corrugated rib (1) having in each case two rib surfaces (4, 5) which
are arranged essentially parallel to one another and which are connected in each case
by means of an arcuate piece (6) soldered to a flat tube (2, 3), characterised in that the arcuate piece (6) has a lower curvature in a middle portion (6a) than in a first
outer portion (6b) and in a second outer portion (6c), wherein the arcuate piece (6)
has a radius of curvature R1 in the middle portion (6a) which is greater than a rib
height RH of the corrugated rib (1), and the arcuate piece (6) has a radius of curvature
R2 in the first outer portion (6b) which is lower than half a rib height RH of the
corrugated rib (1), and the arcuate piece (6) has a radius of curvature R3 in the
second outer portion (6c) which is greater than a radius of curvature R2 in the first
outer portion (6b).
2. The heat exchanger as claimed in claim 1, characterised in that the rib surfaces (4, 5) are equipped with gills (7).
3. The heat exchanger as claimed in claim 2, characterised in that the grills (7, 7a, 7c) have a gill depth LP in a range of 0.5 to 1.5 mm and a gill
angle α in the range of 20° to 35°.
4. The heat exchanger as claimed in one of claims 1 to 3, characterised in that the corrugated rib (1) has a rib division FP in the range of 1 to 3 mm.
5. The heat exchanger as claimed in one of claims 1 to 4, characterised in that the corrugated rib (1) has a rib depth RT in the range of 10 to 70 mm, preferably
12 to 20 mm or 40 to 64 mm.
6. The heat exchanger as claimed in one of claims 2 to 5, characterised in that the ratio of gill depth LP to rib division FP is in a range of 0.385 to 0.825.
7. The heat exchanger as claimed in one of claims 1 to 6, characterised in that the corrugated rib (1) has a rib height RH in a range of 3 to 15 mm, preferably 6
to 10 mm.
1. Echangeur de chaleur, en particulier radiateur à liquide de refroidissement ou condenseur
pour véhicules automobiles, comprenant un réseau d'échangeurs de chaleur brasés se
composant de tubes plats (2, 3) et d'ailettes ondulées (1), où les tubes plats (2,
3) sont traversés par un milieu liquide et / ou gazeux, les ailettes ondulées (1)
étant baignées par de l'air, où une ailette ondulée (1) présente à chaque fois deux
surfaces d'ailettes (4, 5) disposées pratiquement de façon parallèle l'une par rapport
à l'autre, surfaces d'ailettes qui sont reliées par un raccord courbé (6) brasé avec
un tube plat (2, 3), caractérisé en ce que le raccord courbé (6) présente, dans une partie médiane (6a), une courbure plus faible
que celle dans une première partie extérieure (6b) et que celle dans une deuxième
partie extérieure (6c), où le raccord courbé (6) présente, dans la partie médiane
(6a), un rayon de courbure R1 qui est plus grand qu'une hauteur d'ailettes RH de l'ailette
ondulée (1), et le raccord courbé (6) présente, dans la première partie extérieure
(6b), un rayon de courbure R2 qui est plus petit qu'une moitié d'une hauteur d'ailettes
RH de l'ailette ondulée (1), et le raccord courbé (6) présente, dans la deuxième partie
extérieure (6c), un rayon de courbure R3 qui est plus grand qu'un rayon de courbure
R2 dans la première partie extérieure (6b).
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces d'ailettes (4, 5) sont dotées d'ouïes (7).
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ouïes (7, 7a, 7c) présentent une profondeur d'ouïes LP se situant dans une plage
comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm, et un angle d'ouïes α se situant dans la plage comprise
entre 20° et 35°.
4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ailette ondulée (1) présente une division d'ailettes FP se situant dans la plage
comprise entre 1 mm et 3 mm.
5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ailette ondulée (1) présente une profondeur d'ailettes RT se situant dans la plage
comprise entre 10 mm et 70 mm, de préférence entre 12 mm et 20 mm, ou bien entre 40
mm et 64 mm.
6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le rapport de la profondeur d'ouïes LP, sur la division d'ailettes FP, se situe dans
une plage comprise entre 0,385 et 0,825.
7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ailette ondulée (1) présente une hauteur d'ailettes RH se situant dans une plage
comprise entre 3 mm et 15 mm, de préférence entre 6 mm et 10 mm.