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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von
Wärme,
insbesondere für
Kraftfahrzeuge, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Vorrichtung.
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Derartige
Vorrichtungen zum Austausch von Wärme sind aus dem Stand der
Technik bekannt. Die Herstellung solcher Wärmetauscher ist in der Regel relativ
aufwendig, da eine Vielzahl von Teilen zusammengefügt werden
muss. Wesentliche Komponenten eines Wärmetauschers – auch Wärrnetauschermatrix
bezeichnet -, welche dessen Kernstruktur zum Wärmeaustausch zwischen wenigstens
zwei Medien bilden, wie zum Beispiel Rohre, Bleche und Rippen werden
meist zusammengelötet,
-geschweißt,
mechanisch -gefügt
oder auch -geklebt: Diese Fügeverfahren
sind zeitintensiv und damit teuer.
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Zur
Vereinfachung sind im Stand der Technik bereits Wärmetauscher
und entsprechende Herstellungsverfahren bekannt, bei denen die Austauschmatrix
in einem Schritt durch Extrudieren (Strangpressen) hergestellt wird.
Eine extrudierte Austauschmatrix weist bereits alle hauptsächlich am Wärmeaustausch
beteiligten Strukturen wie Strömungskanäle und Austauschwandungen
auf.
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Bekannte
Wärmetauscher
dieser Art erlauben jedoch nur Stoffströme in Richtung der Extrusion. Dies
bedingt durch die vorzugsweise alternierende Anordnung der Strömungskanäle für die wenigstens zwei
Medien, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfindet,
dass sich die Verteil- und Sammeleinrichtungen – zur Verteilung auf beziehungsweise
Sammlung der Medien aus der Vielzahl der Strömungskanäle – relativ komplex gestalten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum
Austausch von Wärme und
ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, welche den Aufwand
für -insbesondere
durch Extrusion hergestellte – Wärmetauscher
reduzieren.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist Gegenstand des Anspruchs 20. Bevorzugte Ausführungsformen, Weiterbildungen
und Verwendungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist wenigstens ein extrudiertes Bauteil auf, in welchem wenigstens
ein erster Kanal zur Führung
wenigstens eines ersten strömungsfähigen Mediums
sowie wenigstens ein zweiter Kanal zur Führung wenigstens eines zweiten
strömungsfähigen Mediums
vorgesehen sind, wobei die Kanäle
im Wesentlichen parallel zur Extrusionsrichtung ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß ist wenigstens
in einer zur Extrusionsrichtung im Wesentlichen parallelen Seite
des extrudierten Bauteils wenigstens eine Ausnehmung vorgesehen, die
sich wenigstens teilweise quer zur Extrusionsrichtung erstreckt
und in Strömungsverbindung
zu wenigstens einem Kanal steht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist insofern vorteilhaft, als sie extrudierte Wärmetauschermatrizen erlaubt,
welche sich zur Verwendung mit herkömmlichen Verteil- und Sammeleinrichtungen
für die
am Wärmeaustausch
beteiligten Medien eignen.
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Als
extrudiertes Bauteil wird im Rahmen der Erfindung ein Bauteil verstanden,
welches seine Formgebung zumindest teilweise insbesondere durch
Extrusion, d.h. durch Strangpressen erfahren hat. Es sind jedoch
auch andere Formgebungsverfahren für das bevorzugt einstückige Bauteil
denkbar, wie zum Beispiel Gießen
oder Spritzgießen.
Bevorzugt weist das extrudierte Bauteil quer zur Extrusionsrichtung
einen im Wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt
auf. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, andere Querschnittsformen
zu wählen,
die beispielsweise platzsparend auf den im Motorraum eines Kraftfahrzeugs
zur Verfügung
stehenden Bauraum abgestimmt sind. Zur Verringerung des Verletzungsrisikos
sind die Kanten des extrudierten Bauteils bevorzugt abgerundet.
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Als
Kanal wird im Rahmen der Erfindung ein Hohlraum verstanden, welcher
insbesondere im extrudierten Bauteil bevorzugt im Rahmen der Extrusion
erzeugt wurde und sich somit im Wesentlichen parallel zur Extrusionsrichtung
im Wesentlichen über die
ganze Länge
des extrudierten Bauteils erstreckt, durch welchen ein fließfähiges Medium
fließen
beziehungsweise strömen
kann und welcher im Wesentlichen gas- und flüssigkeitsdicht gegen weitere
Kanäle beziehungsweise
den ihn umgebenden Raum abgegrenzt ist.
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Als
Ausnehmung wird im Rahmen der Erfindung eine Öffnung verstanden, welche sich
ausgehend von einer zur Extrusionsrichtung im Wesentlichen parallelen
Seitenfläche
des extrudierten Bauteils derart einwärts erstreckt, dass die Öffnung mit wenigstens
einem medienführenden
Kanal in Strömungsverbindung
steht. Bevorzugt dienen die Ausnehmungen als Strömungsverbindungen von den zur Extrusionsrichtung
parallelen Seiten des extrudierten Bauteils zu den Kanälen eines
Mediums, welche insbesondere Kreuzstrom-Wärmetauscher auf der Basis einer
extrudierten Wärmetauschermatrix
ermöglichen.
Besonders bevorzugt bilden die Ausnehmungen Strömungsverbindungen zu den zweiten
Kanälen.
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Als
sich wenigstens teilweise quer zur Extrusionsrichtung erstreckende
Ausnehmung wird im Rahmen der Erfindung eine Ausnehmung aufgefasst, welche
in Strömungsverbindung
zu wenigstens einem medienführenden
Kanal steht und innerhalb derer die Hauptströmungsrichtung des darin strömenden Mediums
wenigstens eine Komponente senkrecht zur Extrusionsrichtung aufweist.
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Als
Hauptströmungsrichtung
eines Mediums wird die Richtung verstanden, welche das Medium innerhalb
einer Verteil- und/oder Sammeleinrichtung, einer Ausnehmung und/oder
eines Kanals vorzugsweise annimmt, wobei Richtungsänderungen
des Mediums, die lokal begrenzt sind, außer Acht gelassen werden.
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Als
strömungsverbunden
wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass ein Medium zwischen
den Verteil- und/oder Sammeleinrichtungen, Ausnehmungen und Kanälen, d.h.
allgemein den medienführenden
Einrichtungen fließen
beziehungsweise strömen
kann. Als im Wesentlichen gas- und flüssigkeitsdicht wird insbesondere,
aber nicht ausschließlich
eine Unterteilung durch Trenneinrichtungen verstanden, so dass entlang
bestimmter Richtungen der Ausnehmungen, der Kanäle, der Verteil- und/oder Sammeleinrichtungen
oder dazwischen kein Medium an der jeweiligen Trenneinrichtung vorbeifließen beziehungsweise
-strömen
kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
steht die Ausnehmung zu wenigstens einem zweiten Kanal in Strömungsverbindung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Ausnehmung ein Querschnittsprofil auf, welches einer Gruppe
von Querschnittsprofilen entnommen ist, die runde, rechteckige,
ovale und polygonförmige
Profile sowie Mischformen daraus enthält. Bevorzugt ist eine Vielzahl
von Ausnehmungen unter- und/oder nebeneinander angeordnet, bevorzugt
in regelmäßigen Abständen und
besonders bevorzugt parallel bezüglich
einander.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Kanäle
ein Querschnittsprofil auf, welches einer Gruppe von Querschnittsprofilen
entnommen ist, die runde, rechteckige, ovale und polygonförmige Profile
sowie Mischformen daraus enthält.
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Als
Querschnittsprofil einer Ausnehmung wird im Rahmen der Erfindung
jenes Querschnittsprofil verstanden, welches sich durch Schnitt
mit Ebenen ergibt, welche im Wesentlichen parallel zu derjenigen
Seite des extrudierten Bauteils sind, von welcher aus sich diese
Ausnehmung in das Bauteil erstreckt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weisen die ersten und zweiten Kanäle ein unterschiedliches Querschnittsprofil
auf. Als Querschnittsprofil eines Kanals wird im Rahmen der Erfindung
jenes Querschnittsprofil verstanden, welches sich durch Schnitt
mit bezüglich der
Extrusionsrichtung senkrechten Ebenen ergibt.
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Insbesondere
in Abhängigkeit
der am Wärmaustausch
beteiligten Medien ist es bevorzugt, für die ersten und zweiten Kanäle das gleiche
Querschnittsprofil vorzusehen, wodurch sich eine vereinfachte Herstellung
des Wärmetauschers
ergeben kann.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist zwischen wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten
Kanal wenigstens eine Wärmetauscherwandung
angeordnet. Als Wärmetauscherwandungen
werden im Rahmen der Erfindung diejenigen Wandungen verstanden,
welche direkt benachbarte Bereiche erster und zweiter Kanäle unmittelbar
voneinander trennen und welche sich bevorzugt im Wesentlichen über die
volle Länge
des extrudierten Bauteils im Wesentlichen in Extrusionsrichtung
erstrecken. Bevorzugt bilden die Wärmetauscherwandungen die Fläche direkten
Angrenzens erster und zweiter Kanäle maximierende, Trenneinrichtungen
mit geringer Wandstärke,
um den Wärmeübergangswiderstand
zwischen ersten und zweiten Kanälen
zu minimieren und so eine maximale Wärmetauscherleistung pro Volumeneinheit
des Wärmetauschers
zu erzielen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Kanäle
alternierend unter- und/oder nebeneinander angeordnet, bevorzugt
in regelmäßigen Abständen bezüglich einander.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die ersten und zweiten Kanäle
derart relativ zueinander angeordnet, dass die durch die Wärmetauscherwandungen
gebildete volumenbezogene Austauschfläche zwischen 100 und 6000 m2/m3, bevorzugt zwischen
300 und 4000 m2/m3 und
besonders bevorzugt zwischen 500 und 2000 m2/m3 beträgt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beträgt
die Wandstärke der
Wärmetauscherwandungen
zwischen 0,03 und 1,5 mm, bevorzugt zwischen 0,15 und 0,5 mm und besonders
bevorzugt zwischen 0,3 und 0,4 mm.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist in wenigstens einem Kanal wenigstens ein Wärmeübertragungssteg angeordnet.
Als Wärmeübertragungsstege
sind im Rahmen der Erfindung insbesondere im Unterschied zu Wärmetauscherwandungen
im Rahmen der Extrusion erzeugte, innerhalb eines Kanals angeordnete
Stege zu verstehen. Insbesondere in bevorzugten Ausführungsformen,
in welchen die ersten und zweiten Kanäle alternierende hohlscheibenartige
Kanäle,
langgestreckten und im Wesentlichen rechteckigen Querschnitts bilden,
erlauben innerhalb eines Kanaltyps in Schmalrichtung verlaufende
Wärmeübertragungsstege,
dass auch aus dem zentralen Bereich der Kanäle dieses Typs Wärme des
darin strömenden
Mediums nach außen über die
jeweils nächsten
Wärmetauscherwandungen
auf das im jeweils anderen Kanaltyp strömende Medium übertragen
werden kann.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in wenigstens einem Kanal eine Vielzahl von Wärmeübertragungsstege unter-
oder nebeneinander angeordnet, bevorzugt in regelmäßigen Abständen bezüglich einander.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Länge
des extrudierten Bauteils zwischen 2 und 300 cm, bevorzugt zwischen
20 und 100 cm und besonders bevorzugt zwischen 25 und 60 cm. Bevorzugt
kann durch unterschiedliche Längen
des extrudierten Bauteils die Leistung des Wärmetauschers auf einfache Weise
variiert werden, wobei – aufgrund des
sich dadurch nicht ändernden
Anschlussprofils – wenigstens
für die
an den Stirnseiten, d.h. senkrecht zur Extrusionsrichtung an der
Wärmetauschermatrix angeschlossenen
Sammel- und Verteileinrichtungen einheitliche Sammel- und Verteilkästen oder
-rohre nutzbar sind. Dies ermöglicht
u.a. die kostengünstige Produktion
von Wärmetauscher-Baureihen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Sammel- und/oder
Verteileinrichtung vorgesehen. Bevorzugt ist die Sammel- und/oder
Verteileinrichtungen eine Zu- bzw. Abführeinrichtung integriert und
besonders bevorzugt einstückig.
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Je
nach Gestaltung des extrudierten Bauteils sowie nach der Anordnung
der Sammel- und/oder Verteileinrichtungen eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher
zum Betrieb in den wichtigsten Hauptschaltungsarten eines Wärmetauschers,
wie Kreuzstrom, Gegenstrom, Gleichstrom, Kreuzgegenstrom oder Kreuzgleichstrom.
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In
erfindungsgemäßen Ausführungsformen bei
denen der Wärmetauscher
als ganzes z.B. im Luftstrom eines Luftkühlers oder einem Kühlwasserstrom
eines Wasserkühlers
angeordnet ist, so z.B. wenn der Wärmetauscher in den Wasserkasten
eines Wasserkühlers
eingebaut ist kann auf Sammel- und/oder
Verteileinrichtungen für
wenigstens ein Medium verzichtet werden. Darüber hinaus sind weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen
denkbar, welche überhaupt
keine Sammel- und/oder Verteileinrichtungen benötigen, wie z.B. Luft/Luft-Wärmeübertrager
zur Wärmerückgewinnung
oder Kondenstrockner. Dazu wird der extrudierte Wärmetauscher direkt
in ein entsprechendes Kanalsystem eingebaut.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist das extrudierte Bauteil wenigstens eine Anschlusseinrichtung
zur Befestigung von Sammel- und/oder Verteileinrichtungen auf.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Anschlusseinrichtung einer Gruppe von Anschlusseinrichtungen
entnommen, welche Flansche, Gewindelöcher, Kragen, Wulste oder Profilschienen
enthält.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist wenigstens eine Dichtungseinrichtung zwischen der Sammel- und/oder
Verteileinrichtung und dem extrudierten Bauteil angeordnet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das extrudierte Bauteil aus einem Material hergestellt, welches
einer Gruppe von Materialien entnommen ist, welche Aluminium, Keramik
oder Kunststoff enthält.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer solchen Vorrichtung zum Austausch von Wärme, umfasst
wenigstens die folgenden Schritte:
(i) Herstellung wenigstens
eines Bauteils einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme durch
Extrusion; (ii) Vorsehen wenigstens einer Ausnehmung in einer zur
Extrusionsrichtung im Wesentlichen parallelen Seite des extrudierten
Bauteils, wobei sich die Ausnehmung wenigstens teilweise quer zur
Extrusionsrichtung erstreckt und in Strömungsverbindung zu wenigstens
einem Kanal steht.
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Bevorzugt
werden die Ausnehmungen nach der Extrusion durch Formgebungsverfahren
wie Fräsen,
Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder ähnliche Verfahren hergestellt.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass nicht sämtliche der genannten Vorteile
notwendigerweise durch alle Ausführungsformen
erreicht werden.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Zeichnungen.
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Darin
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Austausch von Wärme;
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2a eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Austausch von Wärme;
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2b eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
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3a eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
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3b eine
perspektivische Ansicht der Unterseite des Ausführungsbeispiels aus 3a;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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In 1 ist
die perspektivische Schrägansicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Austausch
von Wärme
dargestellt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist der Wärmetauscher 10 aus
fünf Bauteilen
im Wesentlichen gas- und flüssigkeitsdicht
zusammengefügt,
wobei der Übersichtlichkeit
halber in 1 nur drei Bauteile dargestellt
sind. Die Wärmetauschermatrix 100 bildet als
erfindungsgemäß extrudiertes
Bauteil den Kern des Wärmetauschers 10.
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Die
von links unten nach rechts oben verlaufenden Pfeile P1 deuten dabei
zur Extrusionsrichtung parallele Richtungen an. In dieser Extrusionsrichtung erstrecken
sich innerhalb der Wärmetauschermatrix 100 drei
erste Kanäle 110 von
der vorderen Stirnseite in voller Länge bis zur hinteren Stirnseite.
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Zwischen
je zwei benachbarten ersten Kanälen 110 ist
jeweils ein zweiter Kanal 120 ausgebildet, der sich ebenfalls
in Extrusionsrichtung als Öffnung in
voller Länge
durch die Wärmetauschermatrix 100 erstreckt.
Das Querschnittsprofil der ersten Kanäle senkrecht zur Extrusionsrichtung
gestaltet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel als langgestrecktes
schmales Rechteck mit vier, durch kurze 45-Grad-Seiten abgewinkelten
Ecken.
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Die
Längsseiten
der abgewinkelten Rechtecksprofile verlaufen dabei in 1 in
vertikaler Richtung und erstrecken sich bis auf oben und unten schmale
verbleibende Stege über
praktisch die volle Höhe
der Wärmetauschermatrix 100.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
gestalten sich die Querschnittsprofile der zweiten Kanäle 120 ebenso
als langgestreckte schmale Rechtecke, deren Längsrichtung vertikal verläuft, die
jedoch in Bezug auf die Breite des Querschnitts der ersten Kanäle 110 nur etwa
die halbe Breite aufweisen und gegenüber den eingewinkelten Ecken
der ersten Kanäle
um jeweils 45 Grad verbreiterte, ausgewinkelte Ecken besitzen.
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Die
zweiten Kanäle 120 erstrecken
sich dabei in vertikaler Richtung, ebenfalls fast über die
gesamte Höhe
der Wärmetauschermatrix 100.
Durch die enge alternierende Anordnung der ersten Kanäle 110 bezüglich der
zweiten Kanäle 120 verbleiben
bei der Extrusion der Wärmetauschermatrix 100 zwischen
den ersten Kanälen 110 und
den zweiten Kanälen 120 lediglich
schmale langgestreckte Wärmetauscherwandungen 112,
deren Längsseite
im Ausführungsbeispiel
in 1 ebenfalls vertikal verläuft. Bevorzugt handelt es sich
bei dem von den zweiten Kanälen 120 geführten Medium
um Wasser.
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Im
Unterschied zu den zweiten Kanälen 120 weisen
die ersten Kanäle 110 in
regelmäßigen Abständen über die
gesamte Kanalhöhe
verteilte Wärmeübertragungsstege 111 auf,
welche den Wärmetransport
vom inneren Bereich der ersten Kanäle 110 zu den Wärmetauscherwandungen 112,
und damit zum in den zweiten Kanälen 120 strömenden Medium
erleichtern.
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In
der Oberseite der Wärmetauschermatrix 100 sind
zwei erfindungsgemäße Ausnehmungen 150 vorgesehen.
Diese weisen einen bezüglich
einer zur Oberseite parallelen Ebene langgestreckten rechteckigen
Querschnitt auf, dessen Längsseite sich
parallel zur Extrusionsrichtung in der Perspektive in 1 von
links unten nach rechts oben über den
Großteil
der Länge
der Wärmetauschermatrix 100 erstreckt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
steht je eine Ausnehmungen 150 in Strömungsverbindung zu jeweils
einem der beiden zweiten Kanälen 120,
wodurch es dem in den zweiten Kanälen 120 strömenden Medium
erlaubt wird, wie durch die vertikal von unten nach oben verlaufenden
Pfeile P2 angedeutet, über
den Großteil
der Wärmetauschermatrix 100 quer
zur Extrusionsrichtung, und damit ebenfalls quer zur Strömungsrichtung
des in den ersten Strömungskanälen 110 strömenden Mediums,
zu fließen. Somit
zeigt das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
einen Wärmetauscher
nach dem Kreuzstromverfahren.
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Da
der in 1 dargestellte Wärmetauscher zum Austausch von
Wärme,
zwischen zwei flüssigen Medien
vorgesehen ist, sind in der perspektivischen Explosionsansicht jeweils
eine Sammel- und Verteileinrichtung 200 und 300 für das in
den zweiten Kanälen 120 beziehungsweise
in den ersten Kanälen 110 strömende Medium
abgebildet. Die Sammel- bzw. Verteilrichtung 200 für das in
den zweiten Kanälen 120 strömende Medium
ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als im Wesentlichen längs
der Extrusionsrichtung verlaufendes, zur Wärmetauschermatrix 100 offenes
Halbrohr ausgebildet, welches durch Deckel mit kreissegmentartigem
Profil seitlich abgeschlossen ist.
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Das
Sammelrohr 200 weist an seiner Unterseite einen allseitig
umlaufenden dünnen
Rahmen 260a auf, der in Länge und Breite mit der Unterseite der
Wärmetauschermatrix 100 im
Wesentlichen derart übereinstimmt,
dass, wenn das Sammelrohr 200 mit dem umlaufenden Rahmen 260a voran
auf die Oberseite der Wärmetauschermatrix 100 aufgesetzt ist,
dieses Sammelrohr 200 über
in der Oberseite der Wärmetauschermatrix 100 umfänglich angeordnete Gewindelöcher 105b,
welche mit entsprechenden Durchgangslöchern 205b im umlaufenden
Rahmen 260a des Sammelrohrs 200 korrespondieren,
mittel (nicht dargestellter Gewindeschrauben) festgeschraubt werden
kann.
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Zur
Befestigung des Sammelrohrs 200 an der Wärmetauschermatrix 100 sind
jedoch auch andere geeignete Befestigungsmittel wie Profilschienen,
Klemmen, Nieten denkbar bzw. das Sammelrohr 200 kann auch
direkt mit der Wärmetauschermatrix 100 verlötet, verschweißt oder
verklebt werden. Zu gas- und flüssigkeitsdichten
Abdichtung kann zwischen der Wärmetauschermatrix 100 und
dem Sammelrohr 200 eine Dichtungseinrichtung, wie beispielsweise
ein Dichtungsring, vorgesehen sein.
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Das
Sammelrohr 200 kann, derartig zusammengefügt mit der
Wärmetauschermatrix 100,
das über
die Ausnehmungen 150 zuströmende Medium aus den zweiten
Kanälen 120 sammeln
und über
die am hinteren Ende in der Perspektive erkennbaren Abführeinrichtung 250 abführen. In
der dargestellten Ausführungsform
ist diese Abführeinrichtung 250 als vertikal
verlaufendes Rohr ausgeführt,
welches bevorzugt einstückig
in dem hinteren (nicht sichtbaren) Deckel des Sammelrohrs 200 integriert
ist.
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Die
analoge Funktion zur Sammlung des in den ersten Kanälen 110 strömenden Mediums übernimmt
das in der Explosionsansicht rechts oben dargestellte Sammelrohr 300,
in dessen Oberseite eine ebenfalls zylinderrohrartige Abführeinrichtung 350 integriert
ist, wobei sich die Abführeinrichtung 350 vom oberen
Sammelrohr in horizontaler Richtung nach rechts erstreckt. Ähnlich wie
das Sammelrohr 200, weist das Sammelrohr 300 an
seiner Unterseite (in 1 weiter im Vordergrund) einen,
bevorzugt einstückig
integrierten umlaufenden Rahmen 360b auf, dessen äußeres Querschnittsprofil
mit dem Querschnittsprofil der Wärmetauschermatrix 100,
senkrecht zur Extrusionsrichtung, im Wesentlichen übereinstimmt.
Es ist jedoch auch möglich,
die Abführeinrichtung
anders an den Sammeleinrichtungen anzuordnen, wie etwa an dem kreisförmig gekrümmten Bereich.
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Das
Sammelrohr 300 ist durch den umlaufenden Rahmen 360b geeignet,
bündig
an das hintere Ende der Wärmetauschermatrix 100 angesetzt
zu werden und über
die in den viertelkreisscheibenartigen Verbreiterungen der Ecken
des Rahmens 360b vorgesehenen Durchgangslöcher 305b über (nicht dargestellte)
Befestigungsmittel, wie beispielsweise Gewindeschrauben, mit der
Wärmetauschermatrix 100,
die korrespondierende Gewindelöcher
in ihren analog durch, viertelkreisartige Profile verbreiterten Ecken
101, im Wesentlichen gas- und flüssigkeitsdicht
verbunden zu werden. Dabei kann zur Abdichtung zwischen der Wärmetauschermatrix 100 und dem
Sammelrohr 300 ebenfalls eine Dichtung vorgesehen sein
(nicht dargestellt).
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Im
Gegensatz zum Sammelrohr 200 weist das Sammelrohr 300 zusätzlich zwei
im umlaufenden Rahmen 360b vertikal verlaufende schmale
Dichtungsstege 370 auf. Diese sind derart gestaltet und voneinander
beabstandet, dass sie, insbesondere im Zusammenwirken mit einer
nicht dargestellten Dichtung geeignet sind, nach Montage des Sammelrohrs 300 an
der Rückseite
der Wärmetauschermatrix 100, infolge
ihrer entsprechend korrespondierenden Lage zu den zweiten Kanälen 120 diese
durch Überdeckung
im Wesentlichen gas- und flüssigkeitsdicht
abzudichten. Alternativ zu den Dichtungsstegen 370 kann
die Abdichtung der Enden der zweiten Kanäle 120 gegenüber dem
Sammelrohr 300 auch dadurch erfolgen, dass die der zweiten
Kanäle 120 vor
dem Zusammenfügen
mit dem Sammelrohr 300 z.B. durch Verschweißen, Verkleben
oder Verlöten
verschlossen werden.
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2a zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Austausch
von Wärme.
Hier weist die Wärmetauschermatrix 100 senkrecht
zur Extrusionsrichtung ein quadratisches Profil auf, dessen Ecken
leicht abgerundet sind. In dieser Wärmetauschermatrix 100 sind vier
breitere vertikale erste Kanäle 110 mit
jeweils einer Vielzahl von gleichmäßig über die Kanalhöhe verteilten
horizontalen Wärmeübertragungsstegen 111, wobei
zwischen je zwei benachbarten ersten Kanälen 110 jeweils ein
schmalerer vertikaler zweiter Kanal 120 ohne Wärmeübertragungsstege 111 angeordnet
ist.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
kommt durch die größere Länge der
Wärmeübertragungsmatrix 100 in
Extrusionsrichtung zum Ausdruck, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Austausch von Wärme
die Wärmetauscherleistung
unaufwendig durch Variation der Matrixlänge variiert werden kann, ohne
speziell andersgestaltete Sammel- und Verteileinrichtungen für die am
Wärmeaustausch
beteiligten Medien verwenden zu müssen, da insbesondere im dargestellten
Ausführungsbeispiel
in 2a sich die Gestaltung des Sammelkastens 300 für das in den
ersten Kanälen 110 strömende Medium
ausschließlich
nach dem Querschnittsprofil der Wärmetauschermatrix 100 senkrecht
zur Extrusionsrichtung richtet.
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Ferner
sind, bedingt durch die größere Länge der
Wärmetauschermatrix,
in der Oberseite zusätzliche
Ausnehmungen 150 vorgesehen, welche ein langgestrecktes
rechteckiges Querschnittsprofil aufweisen und deren Lage in horizontaler
Richtung mit der horizontalen Lage der zweiten Kanäle 120 korrespondiert,
um mit diesen Kanälen
in einfacher Weise strömungsverbunden
zu sein. Insgesamt sind somit zwei Gruppen von Ausnehmungen vorgesehen,
wobei jeweils drei Ausnehmungen in horizontaler Richtung parallel
benachbart zueinander liegen und wobei die zwei Ausnehmungsgruppen
gleichmäßig auf
der Länge
der Wärmetauschermatrix 100 angeordnet
sind.
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Im
in 2a dargestellten erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann auf eine Verteil-
und Sammlereinrichtung für
das in den zweiten Kanälen 120 in
Richtung der Pfeile P2 strömende
Medium verzichtet werden, wenn beispielsweise ein gasförmiges Medium,
wie insbesondere Luft, zum Wärmeaustausch
mit dem in den ersten Kanälen 110 strömenden Medium,
wie beispielsweise Öl
und insbesondere Getriebe- oder Lenkhilfeöl, verwendet wird.
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Anders
als im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
eignet sich zur Sammlung des in den ersten Kanälen 110 strömenden Mediums
hier eher eine kastenartige Sammel- und Verteileinrichtung 300 von
im wesentlichen quadratischem Querschnitt, welche, wie bereits erwähnt, vorzugsweise
zum bündigen
Anschluss bzw. zur bündigen
Verbindung mit der Stirnseite 102 der Wärmetauschermatrix 100 ausgestaltet
ist. Zur Vergrößerung des
Sammlervolumens der Sammeleinrichtung 300 kann ein bevorzugt
gewölbter
statt eines ebenen Deckels 310 verwendet werden. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
in 2a ist als Zuführungseinrichtung
für das in
den ersten Kanälen 110 strömende Medium
in die linke Seite der Sammeleinrichtung 300 bevorzugt
ein zylindrisches Rohr 350 integriert.
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2b zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
welches Merkmale des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
mit Merkmalen des in 2a dargestellten erfindungsgemäßen Wärmetauschers
kombiniert. Auch hier ist die Wärmetauschermatrix 100 in Extrusionsrichtung
relativ lang, so dass auf der Oberseite zwei Reihen mit jeweils
zwei parallel benachbarten, langgestreckt rechteckigen Ausnehmungen 150 als
Zuführung
zu den zweiten Kanälen 120 vorgesehen
sind. Auch hier wird, wie in 2a, auf
Verteil- und Sammeleinrichtungen für das in den zweiten Kanälen 120 strömende Medium
verzichtet, das heißt,
es wird vorzugsweise ein gasförmiges
Medium zum Wärmeaustausch
mit dem in den drei ersten Kanälen 110 strömenden Medium
im Kreuzstromverfahren verwendet oder der Wärmetauscher ist als ganzes
in den Flüssigkeitsstrom
eines weiteren Wärmetauschers
integriert.
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Als
Anschlusseinrichtung im Sinne einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung
für eine
Sammel- und Verteileinrichtung für
das in den Kanälen 110 strömende Medium sind
die Längskanten
der Wärmetauschermatrix 100 um
einstückig
integrierte zylinderstangenartige Profile 101 erweitert,
indem jeweils bevorzugt Gewindelöcher 105a vorgesehen
sind, um eine nicht dargestellte Sammel- und Verteileinrichtung
für das
in den ersten Kanälen 110 strömende Medium
mit der Wärmetauschermatrix 100 im
Wesentlichen gas- und flüssigkeitsdicht
zu verbinden. In der Mitte der Stirnseite der Wärmetauschermatrix 100 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
in 2b ein weiteres Gewindeloch 105a vorgesehen,
um zusätzliche
Druckfestigkeit der Verbindung zwischen Sammel- und Verteileinrichtung
und Wärmetauschermatrix 100 zu
erzielen.
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3a zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung,
welches sich in Bezug auf das in 2a dargestellte
Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen in zwei Punkten unterscheidet.
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Hier
ist die Wärmetauschermatrix 100 an
der Unterseite bündig
und parallel zur rechten und linken Seitenfläche der Wärmetauschermatrix 100 um schmale
Seitenstege 103 von in etwa der gleichen Höhe wie der
Wärmetauschermatrix 100 verlängert. Zusammen
mit dem ebenen vorzugsweise als Blech ausgeführten Sammelkastenboden 400,
dessen Längskanten
in Richtung der Seitenflächen
im Wesentlichen rechtwinklig umgebogen sind, der deckelartigen unteren
Verlängerung 330 des
Sammelkastens 300 sowie einem nicht dargestellten, an der
hinteren Stirnseite zum Abschluss vorzusehenden Deckel mit bevorzugt
einstückig
integrierter Zu- bzw. Abführeinrichtung
eine Sammel- und Verteileinrichtung für das in den zweiten Kanälen 120 strömende Medium.
Bevorzugt sind zwischen der Wärmetauschermatrix 100,
dem Sammelkastenboden 400, der deckelartigen Erweiterung 330 des
Sammelkastens 300 sowie dem nicht dargestellten Deckel
mit Zu- bzw. Abführeinrichtung
Dichtungseinrichtungen vorgesehen bzw. all diese Einrichtungen durch
im Wesentlichen gas- und flüssigkeitsdichte
Fügeverfahren,
wie Löten,
Kleben oder Schweißen,
miteinander verbunden.
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Zur
Einsparung von Bauraum, z.B. innerhalb des Motorraums eines Kraftfahrzeugs,
kann es, wie in 3a dargestellt, sinnvoll sein,
an der Oberseite zur Strömungsverbindung
der zweiten Kanäle 120 mit
dem Sammelkasten 200 lediglich im hinteren Bereich der
Wärmetauschermatrix 100 schmale
längliche
Ausnehmungen 150 rechteckigen Profils vorzusehen. Alternativ
könnten
derartige Ausnehmungen 150 auch in einem anderen Bereich
der Wärmetauschermatrix,
wie z.B. im zentralen Bereich vorgesehen sein.
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Der
Sammelkasten 200 als Sammel- bzw. Verteileinrichtung für das in
den zweiten Kanälen 120 strömende Medium
ist, ebenfalls um Bauraum zu sparen, als flacher rechteckiger Kasten
ausgeführt, dessen
Länge etwas über die
Länge der
Ausnehmungen 150 hinausragt und dessen Breite bevorzugt auf
die Breite der Wärmetauschermatrix 100 abgestimmt
ist. Bevorzugt ist, wie dargestellt, eine angepasst zylinderrohrartige
Zu- bzw. Abführeinrichtung 250 in
den Sammelkasten 200 integriert. Im vorliegenden Beispiel
erstreckt sich die Zu- bzw. Abführeinrichtung 250 von
der rechten Deckelseite des Sammelkastens 200 horizontal
nach rechts. Ebenso wie die nicht dargestellte, vorzugsweise deckelartige Zu-
und Abführeinrichtung
für den
hauptsächlich durch
die Seitenstege 103 und den Sammelkastenboden 400 gebil dete
Sammel- und Verteileinrichtung für
das in den zweiten Kanälen 120 strömende Medium
ist der entsprechend auf der oberen rückwärtigen Stirnseite zu installierende
zweite Sammelkasten analog zum Sammelkasten 300 zur Sammlung
des in den ersten Kanälen 100 strömenden Mediums
nicht dargestellt.
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3b stellt
eine perspektivische Sicht auf die Unterseite der Wärmetauschermatrix 100 gemäß des Ausführungsbeispiels
in 3a dar. Dabei ist der rechte Seitensteg 103 ausgebrochen,
um die sich hier auf der Unterseite über fast die volle Länge der Wärmetauschermatrix 100 erstreckenden
drei parallelen schmalen Ausnehmungen 160 reckeckigen Profils
sichtbar werden zu lassen.
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4 zeigt
eine perspektivische Schrägansicht
der Wärmetauschermatrix
(100) eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung.
Hier werden die ersten Kanäle
(110) durch acht bzw. sechs entlang einer vertikalen Linie übereinander
angeordnete Einzelkanäle nahezu
quadratischen Querschnitts gebildet. Die alternierende Anordnung
dieser Einzelkanalspalten im Bezug auf die zweiten Kanäle (120)
entspricht jener der ersten Kanäle
(110) der vorangegangen Ausführungsbeispiele.
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Innerhalb
jedes ersten Einzelkanals (110) sind Wärmeübertragungsprofileinschübe (113)
vorgesehen. Diese sind dazu geeignet, insbesondere bei Wärmetauschermatrizen
(100) mit einheitlicher Dicke der Wärmeübertragungswände (112)
die besonders leicht herzustellen sind, den resultierenden Wärmeübergangwiderstand
zwischen dem ersten Medium in den ersten Kanälen (110) und dem
zweiten Medium in den zweiten Kanälen (120) zu reduzieren.
Dazu weisen die Einschübe
einen wärmeleitenden
Kontakt zu den die ersten Kanälen
(110) begrenzenden Wärmeübertragungswände (112)
auf.
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Bevorzugt
weisen die Wärmeübertragungsprofileinschübe (113)
wie in 4 dargestellt stern- oder kreuzartige Querschnitte
auf, welche insbesondere eine gute Wärmeleitung aus dem Inneren
des jeweiligen Kanals zu den be grenzenden Wärmeübertragungswänden (112)
bewirken. Es sind jedoch auch andere Querschnittsprofilformen der
Wärmeübertragungsprofileinschübe (113) – insbesondere
in Abhängigkeit
der Querschnitte der entsprechenden Kanäle – denkbar.
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In
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die zweiten
Kanäle
(120) im Wesentlichen mittig jeweils eine dünne horizontale
Zwischenwand (121) auf, welche eine fertigungstechnische Vereinfachung
darstellen können,
z. B. insofern als diese die mittlere Spalte erster Einzelkanäle (110) zwischen
den beiden zweiten Kanälen
(120) stabilisieren.
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Zur
korrekten Funktion der Wärmetauschermatrix
(100) müssen
die Zwischenwände
(121) jeweils wenigstens abschnittsweise freigeräumt werden,
um einen Durchtritt des in den zweiten Kanälen (120) strömenden Mediums
von der jeweils unteren Kanalhälfte
in die jeweils obere Kanalhälfte
zu ermöglichen.
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Zudem
fungieren die Zwischenwände
(121) auch als Wärmeübertragungsstege
(112).
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Eine
weitere Funktion der Zwischenwände (121)
wird in 5 in einem weiteren in perspektivischer
Schrägansicht
dargestellten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung
deutlich. Dieses weist zwei mittig durchgehende horizontale Zwischenwände (121)
innerhalb der zweiten Kanäle
(120) auf. Die obere und untere Hälfte der zweiten Kanäle (120)
wird jeweils nochmals von je zwei Zwischenwände (121) durchzogen.
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Letztere
weisen jedoch jeweils zwei voneinander in Extrusionsrichtung beabstandete
Freiräumungen
(122, 123) auf. Wie durch die die Strömungswege
eines zweiten bzw. dritten Mediums innerhalb der zweiten Kanäle (120)
andeutenden Pfeilketten P2 und P3 verdeutlicht, kann hierdurch ein Mehrstromwärmeübertrager
verwirklicht werden.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für den Fall,
dass auf der Oberseite der Wärmetauschermatrix
(100) Ausnehmungen für
die ersten Kanäle
(110) und auf der Unterseite Ausnehmungen für die zweiten
Kanäle
(120) vorgesehen sind. Ein möglicher Strömungsweg des zweiten Mediums
innerhalb der zweiten Kanäle
(120) ist dabei durch das Pfeilkettenpaar P2 dargestellt.
Die beiden Stirnseiten der Wärmetauschermatrix
(100) sind in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend
unterschiedlich abzuschließen.