DE60201136T2

DE60201136T2 - Turbulenzerzeuger zur Verwendung in Wärmetauschern

Info

Publication number: DE60201136T2
Application number: DE60201136T
Authority: DE
Inventors: James T. Bay View Haasch; Wayne N. Mueller; Thomas F. Lefeber; Robert J. Barfknecht; Frank M. Grippe; Ajay K. Dalmia; Brian P. Gilner
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: EP1241426A1; DE60201136D1; US6675878B2; MXPA02002598A; JP2002277190A; JP3999002B2; EP1241426B1; US20030106672A1; US20020162646A1; CA2376391A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher, und insbesondere auf Wärmetauscher von jener Sorte, die eine Mehrzahl von Wärmetauschereinheiten in gestapelter Beziehung aufweisen, wie sie beispielsweise in Ölkühlern verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, die Wärmetauschereinheiten von Wärmetauschern mit internen Turbulenzerzeugern auszustatten, um die Wärmetauschcharakteristika des Wärmetauschers zu verbessern. Im Allgemeinen veranlassen die Turbolenzerzeuger das Fluid, welches durch die Wärmetauschereinheiten strömt, in einer turbulenten Art und Weise zu strömen, wobei die Wärmetauschcharakteristika des Wärmetauschers verbessert werden. Es ist des Weiteren üblich für Turbolenzerzeuger, dass sie zusätzliche Wärmeleitpfade bereitstellen, durch periodische Kontaktpunkte mit den Wänden der Wärmetauschereinheiten, wobei der Wärmetausch innerhalb des Wärmetauschers weiter verbessert wird.
Die US-Patente mit den Nummern 3,732,921 von Hillicki et al.; 3,743,011 von Frost; 3,734,135 von Mosier; 3,763,930 von Frost; 4,360,055 von Frost; 4,561,494 von Frost; 4,967,835 von Lefeber und 5,078,209 von Kerkman et al., offenbaren Wärmetauscher, die Wärmetauscheinheiten aufweisen mit Turbolenzerzeugern darin. Diese Wärmetauscher stellten sich als extrem erfolgreich heraus, insbesondere bei Anwendungen wie beispielsweise dem Kühlen von Schmieröl eines internen Verbrennungsmotors. Die offenbarten Strukturen sind relativ einfach im Design, kostengünstig herzustellen und sofort lieferbar, wenn benötigt. Nichtsdestotrotz gibt es den anhaltenden Wunsch, zusätzliche Vorteile in Wärmetauscherstrukturen bereitzustellen, welcher beispielsweise umfasst: verbesserte Wärmetauschcharakteristika, verbesserte Druckabfallscharakteristika, verringertes Gewicht und Größe, etc.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE 296 22 191 U1 beschreibt einen Wärmetauscher mit einem Turbolenzerzeuger in der Durchflusskammer, wobei dieser Turbolenzerzeuger Reihen von parallelen Bändern aufweist, welche versetzt zueinander sind und aus einem wellenartigen Bogen gemacht sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist das prinzipielle Ziel der Erfindung, einen neuen und verbesserten Turbolenzerzeuger bereitzustellen zur Verwendung in der Wärmetauschereinheit eines Wärmetauschers, und insbesondere ein Turbolenzerzeuger bereitzustellen, der die Wärmetauschfähigkeiten des Wärmetauschers verbessert und/oder den Druckabfall durch den Wärmetauscher vermindert, wobei eine Verminderung der Größe und des Gewichts eines Wärmetauschers, der den Turbolenzerzeuger verwendet, möglich ist.
In Übereinstimmung mit einer Facette der Erfindung wird ein lanzenförmiger und versetzter Turbolenzerzeuger zur Verwendung in einem Wärmetauscher bereitgestellt. Der Turbolenzerzeuger umfasst einen Bogen von Material. Der Bogen umfasst eine Mehrzahl von strangförmigen Reihen von alternierenden Gipfeln und Tälern. Die Gipfel und Täler in jeder Reihe sind versetzt bzgl. der Gipfel und Täler in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe. Jede der Reihen weist eine Schnittstelle mit jeder unmittelbar angrenzenden Reihe auf. Die Schnittstellen sind perforiert, so dass die Täler in jeder Reihe in Flüssigkeitsverbindung sind mit den unmittelbar angrenzenden Gipfeln in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe und die Gipfel in jeder Reihe sind in Flüssigkeitsverbindung mit jeden unmittelbar angrenzenden Tälern in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe. Die Mehrzahl von Reihen sind geteilt in zumindest zwei Gruppen, welche zusammen ein Fischgrätenmuster der Gipfel und Täler definieren.
Gem. einer Facette der Erfindung sind alle Reihen parallel zueinander.
Gem. einer Facette der Erfindung sind die Reihen in einer Gruppe von zumindest zwei Gruppen in einem spitzen Winkel zu den Reihen von anderen Gruppen von zumindest zwei Gruppen von Reihen.
Gem. einer Facette der Erfindung wird ein lanzenförmiger und versetzter Turbolenzerzeuger zur Verwendung in einem Wärmetauscher bereitgestellt. Der Turbolenzerzeuger umfasst einen Bogen von Material. Das Material umfasst eine Mehrzahl von strangförmigen Reihen von alternierenden Gipfeln und Tälern. Die Gipfel und Täler in jeder Reihe sind versetzt bzgl. zu den Gipfeln und Tälern in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe. Jede der Reihen weist eine Schnittstelle mit jeder unmittelbar angrenzenden Reihe auf. Die Schnittstellen sind perforiert, so dass die Täler in jeder Reihe in Flüssigkeitsverbindung mit unmittelbar angrenzenden Gipfeln in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe und die Gipfel in jeder Reihe sind in Flüssigkeitsverbindung mit jeden unmittelbar angrenzenden Tälern in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe. Die Täler sind so angeordnet, dass sie eine erste Serie von parallelen Kanälen definieren in einem spitzen Winkel mit den Reihen, und die Gipfel sind angeordnet, um eine erste Serie von parallelen Graten zu definieren in einem spitzen Winkel mit den Reihen.
Gem. einer anderen Facette der Erfindung sind die Täler so angeordnet, dass sie ein zweite Serie von parallelen Kanälen definieren, die Gipfel sind so angeordnet, dass sie eine zweite Serie von parallelen Graten definieren, und die ersten und zweiten Serien von Kanälen und Graten definieren zusammen ein Fischgrätenmuster von den Kanälen und Graten und den Gipfeln und Tälern.
In einer Ausführungsform ist die Erfindung enthalten in einem Wärmetauscher, welcher eine Wärmetauschereinheit umfasst. Die Wärmetauschereinheit umfasst eine erste Oberfläche, die im Allgemeinen parallel zu einer zweiten Oberfläche beabstandet ist, um eine Durchflusskammer zu definieren, einen Durchflusseinlass, der von einem Durchflussauslass beabstandet ist, und ein im Wesentlichen ebenen lanzenförmigen und versetzten Turbolenzerzeuger in der Durchflusskammer. Der Turbolenzerzeuger umfasst einen Bogen von Material. Der Bogen weist eine Mehrzahl von strangförmigen Reihen von alternierenden Gipfeln und Tälern auf, wobei die Gipfel und Täler in jeder Reihe versetzt sind bzgl. der Gipfel und Täler in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe. Jede der Reihen weist eine Schnittstelle mit jeder unmittelbar angrenzenden Reihe auf. Die Schnittstellen sind perforiert, so dass die Täler in jeder Reihe in Fluidverbindung mit unmittelbar angrenzenden Gipfeln und jeder unmittelbar angrenzenden Reihe sind, und die Gipfel in jeder Reihe sind in Flüssigkeitsverbindung mit unmittelbar angrenzenden Tälern in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe. Die Täler sind so angeordnet, dass sie eine erste Serie von parallelen Kanälen definieren in einem spitzen Winkel zu einer Linie, welche definiert ist durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass und dem Durchflussauslass.
Die Gipfel sind so angeordnet, dass sie eine erste Serie von parallelen Graten definieren in einem spitzen Winkel zu der Linie, welche definiert ist durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass und dem Durchflussauslass.
Gem. einer Facette der Erfindung ist die erste Serie von parallelen Kanälen und die erste Serie von parallelen Graten rechtwinklig zu den Reihen.
Gem. einer Facette der Erfindung ist die erste Serie von parallelen Kanälen und die ersten Serie von parallelen Graten nicht rechtwinklig zu den Reihen. Gem. einer Facette der Erfindung sind die Reihen parallel zu der Linie, welche definiert ist durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass und dem Durchflussauslass.
Andere Ziele und Vorteile werden offensichtlich durch die folgende Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
In den Zeichnungen
1 ist ein fragmentartiger Seitenaufriss eines Motorblocks, auf dem ein Wärmetauscher in Form eines Ölkühlers befestigt ist, der Turbolenzerzeuger, welche die Erfindung verkörpern, verwendet, mit einem Filter herkömmlichen Typs in einer Position, die dem Ölkühler überlagert ist;
2 ist eine vergrößerte fragmentartige Schnittansicht des Wärmetauschers, wie er in 1 gezeigt wird, wobei ein Bereich des Ölfilters in gepunkteten Linien gezeigt wird;
3 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,
4 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Bereichs der als 5-5 in den 3 und 4 bezeichnet ist;
6 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
7 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wobei ein Bereich weggebrochen ist;
8 ist eine vergrößerte, teilweise Schnittansicht entlang den Linien 8-8 in den 6 und 7.
9 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Überstimmung mit einer fünften Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
10 ist eine vergrößerte, teilweise Schnittansicht entlang der Linie 10-10 in 9.
11 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
12 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer siebten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde; und
13 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer achten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
14 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer neunten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
15 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer zehnten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde; und
16 ist eine Draufsicht auf einen Turbolenzerzeuger, der in Übereinstimmung mit einer elften Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Verschiedene exemplarische Ausführungsformen des Turbolenzerzeugers, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurden, werden hierin beschrieben und in den Zeichnungen illustriert in Zusammenhang mit einem Ölkühler zum Kühlen des Schmieröls eines internen Verbrennungsmotors. Es soll jedoch verstanden werden, dass die Erfindung Anwendung finden kann in anderen Bereichen und dass keine Begrenzung auf eine Verwendung als Ölkühler beabsichtigt ist, außer insoweit als es ausdrücklich in den beigefügten Ansprüchen zum Ausdruck kommt.
Unter Bezugnahme auf 1 wird der Block eines internen Verbrennungsmotors fragmentartig gezeigt bei 10 und hat darauf einen Ölkühler 12 für Schmieröl für den Motor aufgenommen. Ein Ölfilter 14 ist an dem Ölkühler 12 befestigt, und letzterer weist zusätzlich einen Kühlmitteleinlass und die Auslasslinien 16 und 18 auf, die sich zu dem Kühlsystem der Maschine erstrecken. Das Schmieröl wird zu dem Ölkühler 12 geleitet über eine Passage 20 in dem Block 10, und das zurückfließende Schmieröl wird aufgenommen von dem Motor über eine Passage 22.
Im Hinblick auf die 2 wird die Passage 22 definiert durch eine Abstandshülse 24, die starr befestigt ist an dem Motorblock 10 und abschließt mit einem Gewindeende 26, welches im Gegenzug einen Extender 28 mit internem Gewinde aufnimmt, der durch eine zentrale Öffnung in dem Ölkühler 12 eingesetzt wurde. Der Extender 28 umfasst ein externes Gewindeende 30, mit dem der Ölfilter 14 auf eine herkömmliche Weise verbunden ist. Der Ölkühler 12 umfasst ein Gehäuse 32 und eine Mehrzahl von Wärmetauschereinheiten, wobei jede allgemein mit 34 bezeichnet ist, die innerhalb des Gehäuses 32 gestapelt sind und am Platz gehalten werden von zwei beabstandeten Kopfblechen 36, 38 des Gehäuses 32.
Bezüglich der Wärmetauschereinheiten 34 ist jede identisch mit der anderen und umfasst ein metallisches Oberblech 40 und ein metallisches Unterblech 42. Jedes der Oberbleche 40 ist im Allgemeinen parallel beanstandet zu den Bodenblechen 42, um einen Durchfluss 43 zu definieren in jeder der Wärmetauschereinheiten 34.
Die Wärmetauschereinheiten 34 sind im Allgemeinen kreisförmig und weisen eine äußere periphere Kante auf, allgemein gezeigt bei 44, welche definiert wird von den äußeren Kanten der Bleche 40, 42, die zusammengeklemmt und/oder zusammengelötet sind. Zusätzlich umfasst jede der Wärmetauschereinheiten 34 einen Durchflusseinlass 50, einen Durchflussauslass 52 und ein inneres Dichtstück 54, welches den mit Gewinde versehenen Extender 28 umgibt. Die Durchflusseinlässe 50 sind beabstandet auf den gegenüberliegenden Seiten der Stücke 54 von den Durchflussauslässen 52. Jede der Wärmetauschereinheiten 34 umfasst des Weiteren einen ebenen, scheibenförmigen Turbolenzerzeuger, im Allgemeinen bezeichnet mit 60, von dem verschiedene Ausführungsformen in größerem Detail nachstehend beschrieben werden, welcher angeordnet ist zwischen den Oberblechen und den Bodenblechen 40, 42 innerhalb der Durchflusskammer 43. Eine weitere Beschreibung der strukturellen Details des dargestellten Ölkühlers ist nicht notwendig um die vorliegende Erfindung zu verstehen, sowie verstanden wird, dass a) die Erfindung eingebaut werden kann in jeden Wärmetauscher der Wärmetauschereinheiten verwendet, die einen Durchflusspfad definieren zwischen einem Einlass und einem Auslass, und b) solche Details vollständig konventionell sein können und wohlbekannt sind.
Ein Turbolenzerzeuger 60A, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wird in 3 gezeigt. Ein Turbolenzerzeuger 60B, der in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wird in 4 gezeigt. 5 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht des mit 5-5 bezeichneten Bereichs in 3 und eine gedrehte, vergrößerte perspektivische Ansicht des Bereichs, der in 4 mit 5-5 bezeichnet ist. Jeder der Turbolenzerzeuger 60A und 60B weist einen Bogen von Material 62A auf, welches eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise ein Bogen aus Stahl, Kupfer, Messing oder Aluminium. Der Bogen 62A weist eine Mehrzahl von integralen strangartigen Reihen 64A auf, wie es schematisch illustriert wird durch die gestrichelten Linien in den 3 und 4, und wie es am besten in 5 zu sehen ist. Des Weiteren wird, wie in 5 zu sehen, jede der Reihen 64A definiert durch alternierende Gipfel 66A und Tälern 68A. Die Gipfel 66A und die Täler 68A in jeder Reihe 64A sind verbunden durch Seitenwände 69A, die nominal rechtwinkelig sind zu der Länge der Reihe 64A. Die Gipfel 66A und die Täler 68A in jeder Reihe 64A sind versetzt in einem gestaffelten Muster bzgl. der Gipfel 66A und Täler 68A in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe 64A. Dieser Versatz erzeugt Fenster oder Perforationen 70A in den Schnittstellen zwischen unmittelbar angrenzenden Reihen 64A, so dass die Täler 68A in jeder Reihe in Flüssigkeitsverbindung mit unmittelbar angrenzenden Gipfeln 66A in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe 64A sind, und die Gipfel 66A in jeder Reihe 64A in Flüssigkeitsverbindung mit jedem unmittelbar angrenzenden Tal 68A in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe 64A sind.
Wie schematisch durch die gestrichelten Linien in den 3 bis 5 gezeigt, sind die Täler 68A so angeordnet, dass sie eine Serie von parallelen Kanälen 72A definieren und die Gipfel 66A sind so arrangiert, dass sie eine erste Serie von parallelen Graten 74A definieren. Die parallelen Kanäle 72A und die parallelen Grate 74A erstrecken sich in einem spitzen Winkel θ zu einer Linie X, welche definiert wird durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass 50 (phantomartig gezeigt) und dem Durchflussauslass 52 (phantomartig gezeigt) der Wärmetauschereinheit 34.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 3 gezeigt wird, beträgt θ 30°. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 4 gezeigt wird, beträgt θ 60°.
Insbesondere im Hinblick auf den Turbolenzerzeuger 60A, der in 3 gezeigt wird, werden die Reihen 64A in zwei Gruppen 76A und 78A geteilt, welche zusammen ein Fischgrätenmuster der Gipfel 66A und der Täler 68A und der Kanäle 72A und der Grate 74A definieren. Die Gräten weisen einen spitzen Winkel auf, der zwei θ beträgt. Es sollte festgehalten werden, dass die Reihen 64A in der Gruppe 76A nicht parallel sind zu den Reihen 64A in der Gruppe 78A und in einem spitzen Winkel zueinander sind. Es sollte auch festgehalten werden, dass die Kanäle 72A und die Grate 74A in jeder der zwei Gruppen 76A, 78A rechtwinklig sind zu den Reihen 64A in jeder der jeweils zwei Gruppen 76A, 78A.
Insbesondere hinsichtlich des in 4 gezeigten Turbolenzerzeugers 60B sind die Reihen 64A nicht in zwei Gruppen geteilt, sondern bilden eher eine einzige Gruppe, die die parallelen Kanäle 72A und die parallelen Grate 74A definiert, die in einem spitzen Winkel θ zu der Linie X sind, welche definiert wird durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass 50 und dem Durchflussauslass 52 der Wärmetauschereinheit 34.
Die Turbolenzerzeuger 60C und 60D, die Übereinstimmung mit zwei zusätzlichen Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurden, werden jeweils in den 6 und 7 illustriert. Jeder der Turbolenzerzeuger 60C und 60D umfasst einen Bogen von Material 62C, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Stahl, Kupfer, Messing oder Aluminium. Der Bogen 62C umfasst eine Mehrzahl von strangartigen Reihen 64C, wie es schematisch durch die gestrichelten Linien in 6 und 7 illustriert wird und wie es in 8 gezeigt wird.
Wie am besten in 8 zu sehen ist, werden die Reihen 64C definiert durch alternierende Gipfel 66C und Täler 68C. Die Gipfel 66C und die Täler 68C in jeder Reihe 64C werden verbunden durch Seitenwände 69C, die nominal rechtwinkelig sind zu der Länge der Reihen 64C. Die Gipfel 66C und die Täler 68C in jeder Reihe 64C sind versetzt hinsichtlich der Gipfel 66C und der Täler 68C in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe 64C. Im Gegensatz zu dem vor- und zurückgestaffelten Versatz, der in den Turbolenzerzeugern 60A und 60B verwendet wurde, ist der Versatz in den Turbolenzerzeugern 60C und 60D progressiv, wobei jede nachfolgende Reihe 64C versetzt ist von der vorhergehenden Reihe 64C in der gleichen Richtung. Dieser Versatz erzeugt Fenster oder Perforationen 70C in den Schnittstellen zwischen unmittelbar angrenzenden Reihen 64C, so dass die Täler 68C in jeder Reihe 64C in Flüssigkeitsverbindung mit unmittelbar angrenzenden Gipfeln 66C in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe 64C sind, und die Gipfel 66C in jeder Reihe 64C in Flüssigkeitsverbindung mit jedem unmittelbar angrenzenden Tal 68C in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe 64C sind.
Wie schematisch gezeigt durch die gestrichelten Linien in den 6 und 7, sind die Täler 68C so angeordnet, dass sie eine Serie von parallelen Kanälen 72C definieren, welche in einem spitzen Winkel α mit den Reihen 64C sind.
Die Gipfel 66C sind angeordnet um eine Serie von parallelen Graten 74C zu definieren, die ebenfalls in einem spitzen Winkel α mit den Reihen 64C sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt α 30°. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt α 60°. In wiederum einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt α 45°.
Die Reihen 64C sind geteilt in zwei Gruppen 76C und 78C, die zusammen ein Fischgrätenmuster von den Gipfeln 66C und den Tälern 68C und von den Kanälen 72C und den Graten 74C definieren. Die zwei Gruppen 76C und 78C, die das Fischgrätenmuster ausmachen, haben einen Winkel zwischen sich, der 2α beträgt.
Ein Turbolenzerzeuger 60E, der in Übereinstimmung mit einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wird in den 9 und 10 illustriert. Die strukturellen Details des Turbolenzerzeugers 60E sind identische mit den strukturellen Details der Turbolenzerzeuger 60C und 60D, die in den 6 bis 8 gezeigt werden, mit der Ausnahme, dass seine Seitenwände 69C in einem spitzen Winkel ψ zu der Länge der Reihen 64C sind, anstatt sich nominal rechtwinklig zu der Länge der Reihen 64C zu erstrecken. 11 zeigt noch einen anderen Turbolenzerzeuger 60F, welcher strukturell identisch ist mit dem Turbolenzerzeuger 60E, mit der Ausnahme, dass seine Seitenwände 69C sich in einem stumpfen Winkel ψ erstrecken, anstatt sich in einem spitzen Winkel ψ zu erstrecken. Deshalb läuft der Winkel ψ der Seitenwände 69C in dem Turbolenzerzeuger 60E in die Richtung des Winkels α der Kanäle 72C und der Grate 74C, während der Winkel ψ der Seitenwände 69C in dem Turbolenzerzeuger 60F gegen den Winkel α der Kanäle 72C und der Grate 74C läuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ψ 45°. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt ψ 30°. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt ψ 135°. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt ψ 120°.
Es sollte festgehalten werden, dass die Reihen 64C sich parallel zu den Linien X erstrecken, die definiert sind durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass 50 und dem Durchflussauslass 52 in 6 und zwischen einem Flüssigkeitseinlass 80 und einem Flüssigkeitsauslass 82 in den 7, 9 und 11.
Es sollte auch festgehalten werden, wie in den 9 und 11 zu sehen ist, dass die Seitenwände 69C der mittleren Reihe 64C der Turbolenzerzeuger 60E und 60F nominal rechtwinklig sind zu der Länge der Reihen 64C, anstatt in dem Winkel ψ.
Es sollte festgehalten werden, dass die relative Position der Einlässe 50, 80 und der Auslässe 80, 82 für den Turbolenzerzeuger 60A, 60C, 60D, 60E und 60F gewechselt werden kann, so dass der Storm von den Einlässen 50, 80 geleitet wird in den Punkt des Fischgrätenmusters eher als in den Biss des Fischgrätenmusters.
Wie in 12 gezeigt, kann der Turbolenzerzeuger 60G hergestellt werden in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen 60C, 60D, 60E und 60F ohne die Reihen 64C in zwei Gruppen zu teilen, d. h., ähnlich zu dem Turbolenzerzeuger 60B, der in 4 gezeigt wird.
Ein Turbolenzerzeuger 60H, der in Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wird in 13 illustriert. Die strukturellen Details des Turbolenzerzeugers 60H sind identisch mit den strukturellen Details der Turbolenzerzeuger 60C und 60D, die in den 6 bis 8 gezeigt sind, mit der Ausnahme dass die Gruppen 76C und 78C der Reihen 64C wiederholt werden, um ein wiederholendes Fischgrätenmuster von dem Gipfel 66C und dem Tal 68C und von den Kanälen 72C und den Graten 74C zu definieren.
Ein Turbolenzerzeuger 60I, der in Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wird in 14 illustriert. Die strukturellen Details des Turbolenzerzeugers 60I sind eine Kombination von ausgewählten strukturellen Details der Turbolenzerzeuger 60A und 60B, die in den 3 bis 5 gezeigt werden und den Turbolenzerzeugern 60C, 60D und 60G, die in den 6 bis 8 und 12 gezeigt werden. Insbesondere wird eine Mehrzahl von Gruppen 90I von Reihen 64A in dem Turbolenzerzeuger 60I bereitgestellt, wobei jede Gruppe 90I aus zehn Reihen 64A besteht, die, wenn sie als Gruppe betrachtet werden, strukturell identisch sind mit den Reihen 64A, die in Zusammenhang mit den Turbolenzerzeugern 60A und 60B beschrieben wurden. Daher haben für jede Gruppe 90I, die Gipfel 66A und die Täler 68A den gleichen vor- und zurückgestaffelten Versatz wie der für die Gipfel 66A und die Täler 68A der Turbolenzerzeuger 60A, 60B, beschriebene. Dies erzeugt eine Serie von parallelen Kanälen 72A und paralellen Graten 74A innerhalb jeder Gruppe 90I, die nominal rechtwinklig sind zu den Reihen 64A. Jedoch sind die Gruppen 90I versetzt zueinander in einem progressiven Muster, wobei jede nachfolgende Gruppe 90I versetzt ist von der vorhergehenden Gruppe 90I in der selben Richtung. Insbesondere sind die Gruppen 90I, relativ zueinander, gestaffelt an ihren Schnittstellen 92I mit angrenzenden Gruppen 90I, so dass an jeder Schnittstelle 92I vier Reihen 94I sind, die, wenn man sie als Gruppe betrachtet, strukturell identisch sind zu den Reihen 64C, die in Zusammenhang mit den Turbolenzerzeugern 60C, 60D und 60G beschrieben wurden, mit Gipfeln 66C und Tälern 68C, die in einem progressivem Muster versetzt sind, anstatt in dem vor- und zurückgestaffelten Muster der Turbolenzerzeuger 60A und 60B. Dies erzeugt eine Serie von parallelen Kanälen 72C und Graten 74C, die in einem spitzen Winkel α mit den Reihen 64A, 94I sind.
Ein Turbolenzerzeuger 60J, der wiederum in Übereinstimmnung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wird in 15 illustriert. Die strukturellen Details des Turbolenzerzeugers 60J sind identisch mit den strukturellen Details des Turbolenzerzeugers 60I, der in 14 gezeigt wird, mit den Ausnahmen, dass a) die Reihen 64A, 94I querverlaufen zu der hauptsächlichen Dimension des Turbolenzerzeugers 60J; b) die Gruppen 90J werden gebildet von vier Reihen 64A, anstatt von zehn Reihen 64A wie bei den Gruppen 90I; und c) die Gruppen 90J werden geteilt in zwei größere Gruppen 76J und 78J, die zusammen ein Fischgrätenmuster der Gruppen 90J definieren.
Ein Turbolenzerzeuger 60K, der wiederum in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde, wird in 16 illustriert. Die strukturellen Details des Turbolenzerzeugers 60K sind identisch mit den strukturellen Details des Turbolenzerzeugers 60I, der in 14 gezeigt wird, mit den Ausnahmen, dass a) die Gruppen 90K gebildet werden von fünf Reihen 64C, anstatt von zehn Reihen 64C und b) die Gruppen 90K versetzt sind in einem wiederholten vor- und zurückgestaffelten Muster, um ein wiederholendes Fischgrätenmuster der Gruppen 90K zu definieren, anstatt in dem progressiven versetzten Muster der Gruppen 90I in dem Turbolenzerzeuger 60I.
Während die Flüssigkeitseinlässe und Flüssigkeitsauslässe an jedem genehmen Ort angeordnet werden können, werden die bevorzugten Orte für die Flüssigkeitseinlässe 80H, 80V und die Flüssigkeitsauslässe 82H, 82V schematisch durch die gestrichelten Linien in den 13 bis 16 gezeigt. Wenn der Flüssigkeitseinlass 80H und der Flüssigkeitsauslass 82H zusammen verwendet werden, liefern die Turbolenzerzeuger 60G, 60I, 60J und 60K relativ hohe Wärmeübergänge bei relativ hohen Druckabfällen im Vergleich zu den Wärmeübergängen und Druckabfällen, die sich einstellen, wenn der Flüssigkeitseinlass 80V und der Flüssigkeitsauslass 82V zusammen verwendet werden. Umgekehrt liefern, wenn der Flüssigkeitseinlass 80V und der Flüssigkeitseinlass 82V zusammen verwendet werden mit dem Turbolenzerzeuger 60H, der Turbolenzerzeuger 60H relativ hohe Wärmeübergänge bei einem relativ hohen Druckabfall im Vergleich dazu, wenn der Einlass 80H und der Auslass 82H zusammen mit dem Turbolenzerzeuger 60H verwendet werden.
Es sollte gewürdigt werden, dass die grobe Form der Turbolenzerzeuger 60A, 60B, 60C, 60D, 60E, 60F, 60G, 60H, 60I, 60J und 60K diktiert wird von der Geometrie der Wärmetauschereinheiten 34, in die sie installiert werden, und dass die Erfindung nicht begrenzt ist auf die offenbarten groben Formen.
Bezüglich der Tabelle A und den 8 und 10 wird ein Satz von bevorzugten nominalen Dimensionen für die Turbolenzerzeuger 60C, 60D, 60E, 60F, 60G, 60H, 60I, 60J und 60K bereitgestellt. Es sollte verstanden werden, dass diese Dimensionen verwendet werden können, um die Turbolenzerzeuger 60A und 60B, die in den 3 bis 5 gezeigt werden, zu definieren.
Die Dimension A ist der Betrag des Versatzes zwischen einer Reihe 64C und einer angrenzenden Reihe 64C. Wie vorher schon festgehalten wurde, wird für die Turbolenzerzeuger 60A und 60B dieser Versatz wiederholt vor und zurück, von einer Reihe 64A zu der nächsten Reihe 64A, um ein gestaffeltes Muster zu kreieren, wie es am besten in 5 gesehen werden kann, während für die Turbolenzerzeuger 60C, 60D, 60E, 60F und 60G der Versatz progressiv ist, wobei jede nachfolgende Reihe versetzt ist in die gleiche Richtung von der vorherigen Reihe, wie in den 6 bis 11 zu sehen ist.
Die Dimension B definiert den Abstand von Gipfel zu Gipfel für jede der Reihen 64C. Die Dimension C definiert eine Länge für jeden der Gipfel 66C und für jedes der Täler 68C. Die Dimension T definiert die Dicke des Bogens 62C. Die Dimension D definiert die Länge der Überlappung zwischen den angrenzenden Reihen 64C. Die Dimension H definiert die Höhe der Turbolenzerzeuger 60C, 60D, 60E, 64F und 60G. Die Dimension W definiert die Breite, so dass sie konsistent ist mit der Länge, die verwendet wird, um die Reihen 64A auf Seite 8, Zeile 23 zu beschreiben, und die Reihen 64C auf Seite 10, Zeile 19 und Seite 11, Zeile 24. R gibt den inneren Radius jedes Gipfels 66C und der Täler 68C an. Die Winkel E werden definiert durch aufwärtige und abwärtige Neigungen jedes Gipfels 66C und jedes Tals 68C, und sind vorzugsweise gleich im Betrag. Der Winkel F beträgt 6° und definiert die Neigung an der Krone jedes Gipfels 66C und jedes Tals 68C.
Tabelle A Zahlen in Inches
Die Turbolenzerzeuger 60A, 60B, 60C, 60D, 60E, 60F, 60G, 60H, 60I, 60J und 60K können hergestellt werden unter Verwendung bekannter Techniken.
Testergebnisse, die herkömmliche Turbolenzerzeuger mit Turbolenzerzeugern, die die vorliegende Erfindung verkörpern vergleichen, haben gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Turbolenzerzeuger eine erhöhte Wärmeübergangsleistung bereitstellen können bei einem gegebenem Öldruckabfall, und einen niedrigeren Öldruckabfall bei einer gegebenen Wärmeübergangsrate. Die erhöhte Leistung wird einen Wärmetauscher in die Lage versetzen, eine feste gewünschte Wärmeübergangskapazität zu haben, wie beispielsweise ein Ölkühler, der mit weniger Wärmetauschereinheiten hergestellt werden kann, wodurch seine Kosten, seine Größe und sein Gewicht vermindert werden können.

Claims

Ein Wärmetauscher umfassend eine Wärmetauschereinheit (34), wobei die Wärmetauschereinheit (34) eine erste Oberfläche umfasst, welche im Allgemeinen parallel zu einer zweiten Oberfläche beabstandet ist, um eine Durchflusskammer (43) zu definieren, einen Durchflusseinlass (50, 80), welcher von einem Durchflussauslass (52, 82) beanstandet ist, und ein im Wesentlichen ebener, lanzenförmiger und versetzter Turbulenzerzeuger (60) in der Durchflusskammer (43), wobei der Turbulenzerzeuger (60) einen Bogen von einem Material (62) aufweist, wobei der Bogen eine Mehrzahl von strangartigen Reihen (64) von alternierenden Gipfeln (66) und Tälern (68) aufweist, wobei die Gipfel (66) und Täler (68) in jeder Reihe (64) mit Bezug auf die Gipfel (66) und Täler (68) in jeder unmittelbar benachbarten Reihe (64) versetzt sind, wobei jede der Reihen (64) eine Schnittstelle mit jeder unmittelbar angrenzenden Reihe (64) aufweist, wobei die Schnittstellen perforiert sind, so dass die Täler (68) in jeder Reihe (64) mit unmittelbar angrenzenden Gipfeln (66) in jeder unmittelbar angrenzenden Reihe 64 in Flüssigkeitsverbindung stehen, und Gipfel (66) in jeder Reihe (64) mit jeden unmittelbar angrenzenden Tälern (68) in jeder dieser unmittelbar angrenzenden Reihen (64) in Flüssigkeitsverbindung stehen; wobei ein erster Satz von Tälern (68) angeordnet ist, um eine erste Serie von parallelen Kanälen (72) mit einem spitzen Winkel zu einer Linie zu definieren, welche durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass (50, 80) und dem Durchflussauslass (52, 82) definiert ist, und ein erster Satz der Gipfel (66) angeordnet ist, um eine erste Serie von parallelen Graten (74) an dem spitzen Winkel zu der Linie zu definieren, welche durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass (50, 80) und dem Durchflussauslass (52, 82) definiert ist, dadurch gekennzeichnet dass die Reihen sich parallel zu der Linie erstrecken, welche durch die kürzeste Distanz zwischen dem Durchflusseinlass (50, 80) und dem Durchflussauslass (52, 82) definiert ist.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Oberflächen und der Turbulenzerzeuger (60) im Wesentlichen eben sind.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei der spitze Winkel ungefähr 30 Grad beträgt.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei der spitze Winkel ungefähr 60 Grad beträgt.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei ein zweiter Satz der Täler (68) angeordnet ist, um eine zweite Serie von parallelen Kanälen (72) zu definieren, ein zweiter Satz der Gipfel (66) angeordnet ist, um eine zweite Serie von parallele Graten (74) zu definieren und die ersten und zweiten Serien von parallelen Kanälen (72) und parallelen Graten (74) zusammen ein Fischgrätmuster von Kanälen (72) und Graten (74) definieren.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei ein zweiter Satz der Täler (68) angeordnet ist, um eine zweite Serie von parallelen Kanälen (72) rechtwinklig zu den Reihen (64) zu definieren, und ein zweiter Satz der Gipfel (66) angeordnet ist, um eine zweite Serie von parallelen Graten (74) rechtwinklig zu den Reihen (64) zu definieren, wobei die ersten und zweiten Sätze von Tälern (68) zumindest ein Tal (68) gemeinsam haben, und wobei der erste und zweite Satz von Gipfeln (66) zumindest ein Gipfel (66) gemeinsam haben.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Reihen (64) in zumindest zwei Gruppen (76, 78) aufgeteilt sind; welche zusammen ein Fischgrätmuster der Gipfel (66) und Täler (68) definieren.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 7, wobei sich die Reihen (64) in einer Gruppe der zumindest zwei Gruppen (76, 78) unter einem spitzen Winkel zu den Reihen (64) einer anderen Gruppe der zumindest zwei Gruppen (76, 78) befinden.
Der Wärmetauscher gemäß Anspruch 7, wobei das Fischgrätmuster durch Gräten gekennzeichnet ist, welche einen eingeschlossenen Winkel von ungefähr 60 Grad aufweisen.
Der Wärmetauscher gem. Anspruch 7, wobei das Fischgrätmuster durch Gräten gekennzeichnet ist, welche einen eingeschlossenen Winkel von ungefähr 120 Grad aufweisen.