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Dokumentenidentifikation DE102004040949B4 31.05.2007
Titel Radiator mit verbesserter Wärmeübertragung
Anmelder Gessner, Hans-Jürgen, 90443 Nürnberg, DE
Erfinder Gessner, Hans-Jürgen, 90443 Nürnberg, DE
Vertreter Zipse Habersack Kritzenberger, 80639 München
DE-Anmeldedatum 24.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004040949
Offenlegungstag 02.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse F28F 13/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01F 27/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F24D 19/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Radiatoren sind hinlänglich bekannt für Heizzwecke in Wohnräumen oder als Ummantelungen von technischen Anlagen wie zum Beispiel Transformatoren, deren Aufgabe darin besteht, die Wärme eines Kühlfluids möglichst effektiv an die Umgebungsluft abzugeben. Üblicherweise enthält der Radiator einen fluiddurchströmten Innenraum, der entweder durch den Innenraum eines geschlossenen Radiatorgehäuses, zum Beispiel bei einem Transformatorengehäuse gebildet sein kann oder durch Rippen bzw. Platten wie bei herkömmlichen Gebäudeheizungen. Oft sind strömungsdurchflutete Kanäle vorgesehen, die auf Konvektorplatten aufgebracht, z.B. angeschweißt oder heißgelötet sind, welche Kanäle vom Fluid durchflossen sind und ihre Wärme an eine Konvektoranordnung, z.B. -platte abgeben, die einen Heizkörper darstellt. Das Fluid ist üblicherweise entweder das Wasser eines Heizungskreislaufs oder das Kühlöl einer großtechnischen Anlage, z.B. eines Transformators. Es sind jedoch auch andere z.B. organische Substanzen enthaltende Fluide speziell für Kühl- oder Heizkreislaufe oder Wärmepumpen verwendbar.

Das Fluid strömt in dem Inneren des Radiatorkörpers an den inneren Oberflächen der Rippenkanäle oder des Gehäuses entlang und überträgt bei dieser weitgehend laminaren Strömung seine Wärme auf das in der Regel aus Metall bestehende Radiatorgehäuse, welches die Wärme wiederum über Platten oder Rippen oder andere oberflächenvergrößernde Maßnahmen an die Umgebungsluft abgibt. Neben der Konvektion kann selbstverständlich auch ein Zwangsströmungskreislauf vorgesehen sein, der zum Beispiel durch eine Pumpe unterstützt ist.

Die DE 695 00 745 T2 zeigt einen Wärmetauscher für einen Transformator, der eine erhöhte Wärmeübertragungsfläche bereitstellt, indem die Wärmetauschanordnung zur Aufnahme des Kühlfluids stark verästelt ist. Eine derartige Wärmetauschanordnung ist zum einen teuer in der Herstellung.

Die EP 693 171 B1 zeigt ebenfalls einen Wärmetauscher, der zur Vergrößerung der inneren Übertragungsfläche Innenwände in dem Fließbereich eines Kühlfluids aufweist. Ebenfalls weist die der Umgebung zugewandte Außenfläche des Wärmetauschers Rippen auf, um die äußere Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. Auch diese Maßnahmen sind mit einem vergleichsweise hohen baulichen Aufwand verbunden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine wirkungsvollere Wärmeübertragung von dem Fluid an die Umgebungsluft zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch einen Radiator gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die dem Fluid zugewandte Innenseite des Radiatorkörpers mit einer feinen Profilierung in einer Größe von maximal 3mm versehen, die den laminaren Strom unterbricht und gleichzeitig eine größere Oberfläche für den Wärmeaustausch bereitstellt. Die Profilierung sorgt damit sowohl für Turbulenzen und in Folge für eine längere Verweilzeit des Fluids an den Innenwänden des Radiatorkörpers als auch für eine vergrößerte Wärmeübergangsfläche insgesamt. Eine derartige vergrößerte Oberfläche kann zum Beispiel dadurch geschaffen werden, dass ein negatives (Rillen, Furchen oder Vertiefungen) und/oder positives Profil (in den Fluidkreislauf hineinragende Rippen oder Erhebungen allgemeiner Art) ausgebildet ist. Dieses Profil kann während der Herstellung des Rohmaterials, so etwa der Radiatorplatten zum Beispiel auf dem Wege des Walzens (z.B. in der Art einer Hammerschlag-Oberfläche) oder des Ziehens eingebracht werden oder durch spanabhebende Bearbeitung, zum Beispiel durch Bohren, Fräsen, Sandstrahlen mit grobem Sand oder durch zusätzlichen Materialauftrag, etwa durch Aufschweißen, Aufkleben, Aufpressen oder -klemmen oder dergleichen. Anstelle oder zusätzlich des Profils/zum Profil kann auch ein Profilkörper mit einer Stärke bzw. Tiefe bis zu 3 mm auf die Innenseite des Radiatorkörpers aufgebracht werden, der die gleiche Wirkung erzeugt wie eine Profilierung des dem Fluid zugewandten Teils des Radiatorkörpers selbst, nämlich eine Verwirblung des an der Innenwand vorbeifließenden Fluids. Ein derartiger Profilkörper kann zum Beispiel ein perforiertes Blech sein oder nur Blechstreifen oder dergleichen. Selbstverständlich muss der/müssen die Profilkörper nicht aus Metall bestehen, sondern können auch aus anderen Materialien gefertigt sein, jedoch zu dem Zweck, die Strömung des Fluids im Bereich der Innenflächen des Radiatorkörpers zu unterbrechen und zu Verwirblungen zu führen. Selbstverständlich kann der Profilkörper selbst auch eine Profilierung aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Profil an der dem Fluid zugewandten Innenfläche des Radiatorkörpers wenigstens eine Profiltiefe von 200 &mgr;m, vorzugsweise mindestens 500 &mgr;m aufweist, egal ob es jetzt als negatives, d.h. in die Wand hineinragendes Profil oder als positives, d.h. von der Wand hervorstehendes Profil ausgebildet ist. Das gleiche gilt für das Profil bzw. die Stärke des Profilkörpers, falls ein solcher vorgesehen ist. Ein derartiges Profil führt zu einer effektiven Verwirbelung des vorbeistreichenden Fluids an der fluidzugewandten Seite des Radiatorkörpers und somit zu einer verbesserten Wärmeübertragung von dem Fluid in den Radiatorkörper und damit zu einer Verbesserung der Effektivität insgesamt.

Gute Ergebnisse sind allerdings bereits mit geringeren Profiltiefen zu erzielen. Falls Profile mit einer gewissen axialen Textur vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, wenn die Achse geneigt zum Fluidfluss ausgebildet ist. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn das Profil in Form von Rippen oder einer karree- oder rhombenförmigen Vernetzung vorgesehen ist. In diesem Fall sollten die Rippen bzw. Rinnen schräg zur Strömungsrichtung des Fluids verlaufen, damit eine möglichst starke Verwirbelung des Fluidstromes erzielt wird.

Selbstverständlich kann eine Profilierung auch durch eine geeignete Aufrauung der dem Fluid zugewandten Innenfläche des Radiatorkörpers erwirkt werden. Schließlich ist es möglich, anstelle einer Aufrauung des Grundmaterials eine gute, wärmeleitfähige Beschichtung auf den Metallkörper in einer profilierten, zum Beispiel aufgerauten oder anders strukturierten Form aufzubringen. Dies hat den Vorteil, dass als Grundelemente für den Radiatorkörper herkömmliche unbehandelte Bleche verwendet werden können, und der profilierte Beschichtungsauftrag nachträglich nach der Herstellung des Radiatorkörpers zum Beispiel durch ein entsprechendes automatisiertes Auftragsverfahren aufgebracht werden kann.

Vorzugsweise sind die nach außen gewandten Flächen des Radiatorkörpers zur Abgabe der Wärme an die Umgebungsluft in herkömmlicher Weise vergrößert, zum Beispiel durch einteilig mit dem Radiatorkörper ausgebildete Rippen oder andere Kühlstrukturen, die entweder einstückig mit dem Radiatorkörper ausgebildet sind oder mit diesem verbindbar zum Beispiel aufsteckbar sind.

Die Erfindung ermöglicht somit mit einem geringen technischen Aufwand eine wesentliche Verbesserung der Wärmeabstrahlung.

Als Profilkörper können fernerhin Lochbleche verwendet werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die dem Fluid zugewandte Seite in Form von Kanälen oder Rohren ausgebildet ist, so dass die profilierten, perforierten oder Lochbleche in entsprechender Passung in den Kanal eingeschoben, zum Beispiel eingepresst werden können, ohne dass ein separater Verformungsvorgang notwendig ist. Die Stärke derartiger Profilkörper beträgt vorzugsweise mindestens 200 &mgr;m, vorzugsweise mehr als 500 &mgr;m, kann aber auch bis zu 3 mm je nach Größe der Anlage und Strömungsgeschwindigkeit des Fluids betragen.

Die oben beschriebenen, vorteilhaften Ausführungsformen sind in beliebiger Form miteinander kombinierbar zum Zwecke einer kostengünstigen Schaffung eines verbesserten Wärmeübergangs in einem Radiator. Weitere Möglichkeiten für Profilkörper sind Siebe, Gewebe, Leisten oder andere Materialien, die sich regelmäßiger- oder unregelmäßiger Weise auf der inneren, d.h. dem Fluid zugewandten Innenfläche des Radiatorkörpers erstrecken oder in Anlage gebracht werden können. Derartige Profilkörper in der Art von Strömungsverwirblern oder -abweisern können mit der Innenwand verklebt, verschweißt, verlötet oder einfach kraft- oder formschlüssig festgelegt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand von Ausführungsbeispielen in der schematischen Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

1 einen horizontalen Querschnitt durch ein Transformatorengehäuse,

2 einen Schnitt durch einen Plattenradiator mit trapezoiden Strömungskanälen,

3 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Innenwand eines Strömungskanals mit Rillen,

4 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Innenwand eines Strömungskanals mit kreuzweise angeordneten Rippen, und

5 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Innenwand eines Strömungskanals mit aufgesetztem Lochblech.

1 zeigt im horizontalen Querschnitt eine gekühlte Transformatoranlage 10 mit einem Transformator 12, der von einem gekühlten Transformatorengehäuse 14 umgeben ist. Zwischen dem Transformatorengehäuse 14 und dem Transformator 12 befindet sich eine Kühlflüssigkeit 16 in Form eines Öls. Das Transformatorengehäuse 14 besteht aus den Transformator 12 in einem Abstand d umgebenden Metallplatten 18 bis 24, die an ihrer Außenseite Kühlrippen 26 haben, um die von der Kühlflüssigkeit 16 aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft über eine möglichst große Oberfläche abgeben zu können. Statt der Rippen 26 können selbstverständlich alle anderen bekannten oberflächenvergrößernden Maßnahmen für Radiatoren verwendet werden. Die gewählten Größen für die Profile, Anzahl und Abmessungen von Elementen, z.B. der Abstand sind nur zur besseren Erläuterung verwendet und können in der Praxis erheblich von der Zeichnung abweichen.

Die dem Kühlfluid 16 zugewandten Innenseiten der Radiatorplatten 18 bis 24 weisen eine unterschiedliche Profilierung auf auf die nachfolgend noch detaillierter eingegangen wird.

Auf die der Kühlflüssigkeit 16 zugewandten Innenseite der linken Radiatorwand 18, die in der Regel aus herkömmlichem, lackierten Transformatorstahl besteht, ist ein Lochblech 28 aus Metall in einer Stärke von etwa 1 bis 2 mm aufgebracht, welches in etwa kreisrunde Perforierungen 30 aufweist. Die Kühlflüssigkeit 16 steigt an dem aufgrund seines Betriebs heißen Transformator 12 hoch und sinkt an der mit dem Lochblech 28 versehenen Wand 18 herunter, wobei aufgrund der mit dem Lochblech 28 und den darin befindlichen Löchern 30 erzielte Unebenheit der Oberfläche die Strömungsgeschwindigkeit der an sich laminaren Strömung herabgesetzt und Verwirbelungen erzeugt werden. Hierdurch wird der Wärmeübergang von der Kühlflüssigkeit 16 auf die Radiatorwand 18 verbessert und somit die Wärmeabgabe über die Rippen an die Außenwand der Radiatorwand 18 nach außen an die Umgebungsluft. Dies ist unabhängig davon, ob die Außenwand des Radiators 14 nun durch vorbeistreichende Luft oder durch ein Kühlgebläse gekühlt wird.

Die beiden horizontalen, d.h. oberen und unteren Wände 20 und 24 weisen an ihrer der Kühlflüssigkeit 16 zugewandten Innenseite Kanäle 32 auf, die in gleicher Weise wie das Lochblech 28 an der linken Radiatorwand dazu führen, dass dort eine erhöhte Oberfläche geschaffen wird und andererseits die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Verwirbelungen an der profilierten Oberfläche herabgesetzt wird. Aufgrund dieser Maßnahmen wird ein verbesserter Wärmeaustausch erzielt. Vorzugsweise sind die Kanäle 32 nicht exakt vertikal, d.h. in Richtung der Strömung der Kühlflüssigkeit 16 ausgerichtet, sondern etwas geneigt, so dass durch die Ablenkung des Kühlflusses ebenfalls eine Verwirbelung und somit ein besserer Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit und den Radiatorplatten 20 und 24 erzielt wird.

Während die oberen und unteren Radiatorplatten 20 und 24 eine Profilierung in Form von Vertiefungen bzw. Kanälen 32 an ihrer Innenseite aufweisen, weist die rechte Radiatorplatte 22 an ihrer Seite Rippen 34 auf, die sich ebenfalls vorzugsweise schräg oder quer zum Strömungsfluss der Kühlflüssigkeit 16 aus der Oberfläche heraus erstrecken. Auch durch diese positive, d.h. sich von der Oberfläche weg erstreckende Profilierung der Innenseite der Radiatorwand 22 wird eine Intensivierung des Wärmeaustausches zwischen der Kühlflüssigkeit 16 und der Radiatorplatte 22 erzielt.

Die oben beschriebenen unterschiedlichen Profile werden nur zur Erläuterung in einer Anlage 10 dargestellt. Selbstverständlich wird in der Praxis eher nur eine der gezeigten Möglichkeiten für eine Profilierung durchgehend verwendet werden.

2 zeigt im Querschnitt einen Plattenradiator 40, bestehend aus einer Radiatorplatte 42 und einem an der Rückseite der Radiatorplatte 42 angeschweißten oder anderweitig verbundenem Formblech 44, das zusammen mit der Radiatorplatte 42 trapezoide Strömungskanäle 46 bildet, welche von einer Kühlflüssigkeit, zum Beispiel Wasser oder Öl durchströmt werden. Die der Kühlflüssigkeit zugewandten Innenseite 48 sowohl der Radiatorplatte 42 als auch des Profilblechs 44 sind mit einer quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Riffelung versehen, welche zu einer intensiveren Wärmeübertragung von dem Kühlfluid auf die Radiatorplatte 42 aufgrund der erhöhten Oberfläche und der erhöhten Verweilzeit des Kühlfluids an dem die laminare Strömung behindernden Profil führt.

Die 3 bis 5 zeigen mögliche Profilierungen der Innenfläche eines Kühlkanals bzw. Radiatorgehäuses. Die Pfeile geben dabei die Strömungsrichtung des Fluids an.

So ist in 3 die dem Kühlfluid zugewandte Innenwand 50 eines Radiators oder Kühlkanals mit schräg zur Strömungsrichtung verlaufenden Rillen 52 versehen, die zu einer vergrößerten Oberfläche und zu einer Störung der Strömung und Turbulenzen im Kühlfluid führen, die wiederum eine bessere Wärmeübertragung vom Kühlfluid auf den Radiator bewirken. Während in 3 das Profil als negatives Profil in Form von Rillen 52 vorgesehen ist, ist in 4 die dem Kühlfluid zugewandte Innenfläche 54 mit sich kreuzenden Rippen 56, 58 versehen, die in einem Winkel von 90° oder kleiner verlaufen und möglichst in einem gleichermaßen schrägen Winkel zu der mit Pfeil gekennzeichneten Strömungsrichtung des Fluids verlaufen.

Auf der in 5 gezeigten Innenwand eines Radiators ist ein Lochblech 60 aufgesetzt, welches zum Beispiel mit der Innenseite des Radiators verklebt oder verschweißt bzw. verlötet oder lediglich gepresst ist. Das Lochblech 60 umfasst eine Vielzahl von lochartigen Perforierungen 62, in denen die Innenwand des Radiators direkt mit dem Kühlfluid in Kontakt steht. Auch durch diesen Profilkörper in Form eines Lochbleches 60 wird eine starke Verwirbelung des vorbeiströmenden Fluids erwirkt und damit eine verbesserte Wärmeübertragung. Anstelle eines Lochbleches können selbstverständlich auch Gitterbleche oder andere Profilstrukturen oder perforierte Strukturen verwendet werden. Die verschiedenen Profilierungstypen bzw. Profilierungskörper können auch innerhalb ein und derselben Anwendung in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, falls dies dem Gesamteffekt einer verbesserten Wärmeübertragung zuträglich ist.

Im Falle einer Aufrauhung der Oberfläche durch Sandstrahlen sollten zur Erzielung eines ausreichend groben Profils Körner mit einem Durchmesser von mehr als 200 &mgr;m, vorzugsweise mehr als 500 &mgr;m verwendet werden, so dass die erzielte Aufrauung zu einem Profil mit einer Rauhigkeit von mindestens 200 &mgr;m führt.

Durch die Erfindung können sowohl ein besserer Wärmeübergang von dem Fluid auf den Radiator, als auch umgekehrt von dem Radiator auf das Fluid realisiert werden, so dass sich die Erfindung für alle Arten von wärmeübertragenden Maßnahmen in Heiz-/oder Kühlkreisläufen eignet.


Anspruch[de]
Radiator (14) zur Kühlung eines Fluids (16), mit einem Metallkörper (18, 20, 22, 24) der mit dem Fluid in Kontakt stehende Wärmeaufnahmeflächen und/oder -kanäle (46) und Wärmeabgabeflächen zur Abstrahlung der Wärme an die Umgebung, z.B. in Form von Rippen (26) oder Platten (42), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Fluid zugewandten Wärmeaufnahmeflächen (50, 54) ein Profil (32, 34, 52, 56, 58) aufweisen und/oder mit wenigstens einem profilierten oder perforierten Profilkörper (28, 60), z.B. Loch- oder Gitterblech versehen sind, welches Profil bzw. welcher Profilkörper eine Stärke bzw. Tiefe von bis zu 3mm aufweist. Radiator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (32, 34, 52, 56, 58) eine Profiltiefe von mindestens 200 &mgr;m, vorzugsweise wenigstens 500 &mgr;m aufweist. Radiator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (32, 34, 52, 56, 58) durch Einformung bei der Herstellung der das Profil tragenden Trägerflächen, z.B. durch Giessen, Ziehen oder Walzen gebildet ist. Radiator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (32, 34, 52, 56, 58) durch spanabhebende Bearbeitung, z.B. Fräsen hergestellt ist. Radiator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper (28, 60) durch eine perforierte Platte, vorzugsweise ein Metallblech, gebildet ist. Radiator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper selbst ein dem Fluid zugewandtes Profil aufweist. Radiator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (32, 34, 52, 56, 58) schräg und/oder quer zur Strömungsrichtung des Fluids (16) verläuft.






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