УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ, НАГРЕВА ИЛИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
DEVICE FOR COOLING, HEATING OR HEAT TRANSFER

Изобретение относится к устройству согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Говоря об устройстве, речь может идти в частности об охлаждающем устройстве для охлаждения объекта или о нагревательном устройстве для нагрева объекта. В частности устройство может быть охлаждающей плитой или нагревательной, соответственно, отопительной плитой. Кроме того, говоря о таком устройстве, речь может также идти о теплопередатчике, причем теплопередатчик обозначается также как теплообменник соответственно теплообменное устройство (радиатор). Кроме того, изобретение относится к способу изготовления такого устройства.
Теплопередатчик, который имеет уложенные друг на друга пластины, которые образуют первый и второй внутренний тракт для текучей среды, описан в DE 102012202276 A1. Пластины и расположенные между пластинами пластинчатые завихрители, которые обеспечивают турбулентное течение, спаяны друг с другом. Однако места пайки имеют тот недостаток, что они могут становиться со временем дефектными, вследствие чего различные текучие среды могут затем перемешиваться, и даже может иметь место загрязнение текучих сред. В случае монолитных или соответственно цельных теплопередатчиков, которые можно обозначать также как моноблочные теплопередатчики, эта проблема не возникает.
В WO 2009/136277 A1 раскрыта охлаждающая плита для поглощения тепла. Говоря об этой охлаждающей плите, речь идет о моноблоке с впускным отверстием и выпускным отверстиям для протекания охлаждающей текучей среды. Эта текучая среда протекает через систему каналов, содержащую каналы, которые выполнены в виде глухих отверстий. И хотя глухие отверстия расположены частично под прямым углом друг к другу, тем не менее поток текучей среды будет по существу ламинарным. Концы глухих отверстий закрыты заглушками.
В WO 2017/053184 A1 описан моноблочный теплопередатчик, для изготовления которого предусмотрена аддитивная технология изготовления, при которой может использоваться в частности 3D–принтер. Дальнейший моноблочный теплопередатчик, изготовление которого также предусмотрено посредством такой технологии, описан в WO 2016/057443 A1. Для создания турбулентного течения жидкости, которая используется для теплопередачи, предусмотрено, что эта жидкость протекает по зигзагообразному или пилообразному рисунку.
В WO 2011/115883 A2 раскрыт цельный теплопередатчик, который имеет системы каналов для различных жидкостей с каналами, которые разветвляются и имеют диаметр с изменяющейся по их длине величиной. Каналы или системы каналов открыты на двух концах. Для изготовления теплопередатчика предусмотрено послойное изготовление, например посредством выборочного лазерного плавления. В этих системах каналов может предполагаться ламинарное течение жидкостей. Завихрители не предусмотрены.
Теплопередатчик с ячеистыми проточными прорезами описан в DE 10305031 A1. Теплопередатчик имеет элемент теплопередачи, который изготовлен из алюминиевого сплава посредством способа экструзионного прессования. Проточные прорезы имеют завихрители, говоря о которых, речь может идти о вставном элементе в виде креста или двойного креста. Концы элемента теплопередачи соединены в каждом случае с концевым элементом, которые задают проточные каналы и имеют впускные и выпускные отверстия.
Соответствующее типу устройство описано в EP 0658737 A2. При этом речь идет о теплопередатчике, который имеет моноблок из керамического материала, по меньшей мере, с двумя системами каналов. Каналы одной системы каналов могут пересекаться по расположению с каналами другой системы каналов. Перемешивание текучих сред не возможно благодаря геометрическому расположению каналов. Говоря о каналах, речь идет об отверстиях, которые на обоих концах открыты, причем для закрытия предусмотрена пластина. Системы каналов имеют поперечное сечение в виде продольной прорези, причем благодаря отверстиям образованы стенки с перекрывающимися круговыми дугами. Завихрители не предусмотрены у этого теплообменного блока.
В основе изобретения лежит задача предоставить соответствующее типу устройство, у которого турбулентное течение текучей среды создается очень эффективно. Кроме того, задачей изобретения является предоставить способ изготовления такого устройства.
Эта задача решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Устройство имеет, по меньшей мере, одну проточную камеру, которая предусмотрена для протекания текучей среды и имеет впускное отверстие, а также выпускное отверстие. Проточная камера расположена в цельном блочном элементе, который может обозначаться также как моноблочный элемент. Она, по меньшей мере, частично имеет теплопроницаемую стенку, так что через эту стенку текучая среда может поглощать или выделять термическую или тепловую энергию. Говоря о текучей среде, речь может идти в частности о газе или жидкости. Проточная камера образована из нескольких первых каналов и нескольких вторых каналов, которые расположены в блочном элементе. Первые каналы отстоят друг от друга и проходят по прямой и параллельно друг к другу. Также вторые каналы отстоят друг от друга и проходят по прямой и параллельно друг к другу. И первые, и вторые каналы имеют в каждом случае два конца и, по меньшей мере, на одном из обоих концов закрыты.
Вторые каналы проходят под углом к первым каналам таким образом, что первые и вторые каналы пересекаются. Между четырьмя местами пересечения двух соседних первых и двух соседних вторых каналов находятся внутри образованной каналами проточной камеры опорные стойки (контрфорсы). Эти опорные стойки имеют по своей высоте или длине поперечное сечение в виде параллелограмма. Эту форму можно обозначать также как ромбоид или ромбовидная форма. Так как проточная камера образована из ряда пересекающихся прямых каналов, которые пересекаются на своих местах пересечения, она могла бы также обозначаться как система каналов. Опорные стойки обозначаются здесь как часть соответствующей проточной камеры. Проточная камера отличается таким образом тем, что внутри проточной камеры расположено при рассмотрении от краевых зон камеры множество таких опорных стоек, причем опорные стойки распространяются между двумя противоположными друг другу стенками проточной камеры.
Множество равномерно расположенных опорных стоек обеспечивают то, что течение текучей среды через проточную камеру, как правило, не ламинарно, а турбулентно. Кроме того, опорные стойки допускают высокое сопротивление давлению блочного элемента и тем самым устройства. Сопротивление давлению обеспечивается большим количеством опорных поверхностей, которые заданы параллелограммовидными поперечными сечениями опорных стоек. Опорные поверхности поддерживают противоположные стенки проточной камеры друг относительно друга или удерживают их вместе. Соответствующее изобретению устройство может иметь, например, сопротивление давлению в 150 бар. Благодаря этому высокому сопротивлению давлению скорость течения текучей среды может быть относительно высока, вследствие чего турбулентное течение возникает с большей вероятностью, чем при низкой скорости.
Предпочтительно первые каналы по своей длине, за исключением своих концевых зон, равномерны в своем поперечном сечении, если рассматривать каналы сами по себе и не учитывать места пересечения со вторыми каналами. Другими словами тем самым подразумевается, что каналы в случае их изготовления в виде сверленого отверстия (см. ниже) имеют по своей длине одинаковый диаметр. Предпочтительно это справедливо также соответственно для вторых каналов. Предпочтительно также первые и вторые каналы одинаковы в своем поперечном сечении в сравнении друг с другом. В этом случае также поверхности поперечного сечения опорных стоек однообразны, за исключением опорных стоек на краях проточной камеры. Диаметры каналов оказывают влияние на физические данные устройства, такие как тепловая мощность и падение давления в проточной камере.
Если расстояния между в каждом случае соседними первыми каналами и расстояния между в каждом случае соседними вторыми каналами одинаковы, а также одинаковы расстояния между первыми и вторыми каналами, то опорные стойки имеют ромбовидное поперечное сечение. В этом случае обеспечена наиболее высокая равномерность в конструкции проточной камеры, что оптимально для высокого сопротивления давлению проточной камеры и таким образом также для создания турбулентного течения.
Может быть предусмотрено, что в каждом случае один из первых каналов и один из вторых каналов имеют на одном из своих в каждом случае обоих концов общее отверстие каналов, и это отверстие каналов расположено в боковой стенке блочного элемента и представляет собой отверстие боковой стенки. Устройство имеет в этом случае, по меньшей мере, одно запорное средство, при помощи которого могут герметично закрываться отверстия боковой стенки. Предпочтительно предусмотрено то, что все эти общие отверстия каналов проточной камеры находятся в одной и той же боковой стенке блочного элемента.
Отверстия боковой стенки позволяют простым образом очистку и визуальный контроль соответствующей проточной камеры и тем самым соответствующего изобретению устройства. Дальнейшее, очень важное преимущество отверстий боковой стенки заключается в том, что первые и вторые каналы могут быть сверленым отверстием. Это является предпочтительным вариантом осуществления и означает, что каналы были изготовлены или изготавливаются посредством сверления вращающимся инструментом или же также посредством электроэрозионного выполнения отверстий или лазерного сверления. В частности изготовление каналов при помощи вращающегося инструмента возможно выполнять относительно просто по сравнению с изготовлением блочного элемента с каналами, которые на своих обоих концах закрыты, причем необходима именно аддитивная технология изготовления или 3D–печать. Изготовление каналов при помощи вращающегося инструмента является по сравнению с изготовлением закрытых на обоих концах каналов при помощи аддитивной технологии изготовления значительно менее трудоемким и относительно экономичным. Однако с другой стороны сохраняются преимущества, которые обеспечены применением цельного блочного элемента (см. выше), а именно что отсутствуют места пайки, сварные швы или уплотнения между конструктивными элементами системы проточных камер. Тем самым перемешивание различных текучих сред, если предусмотрены несколько камер (см. ниже), не возможно. Исключение уплотнений, в частности также двойных уплотнений, означает в отношении расположения проточных камер то, что не требуются пазы под уплотнения, приклеивание или позиционирование уплотнений, и зажимные усилия отсутствуют. Далее блочный элемент может хорошо выполнять внутреннее движение в виде расширения или сжатия из–за изменений температуры.
Благодаря пересекающемуся расположению первых и вторых каналов могут в обеих концевых областях расположения отверстий боковой стенки также иметься такие отверстия, которые представляют собой не общее отверстие боковой стенки, а лишь отверстие первого или второго канала.
Первые и вторые каналы могут быть округлыми в поперечном сечении, предпочтительно они являются круглыми. И хотя в этом случае опорные стойки имеют вогнутые боковые поверхности, тем не менее они имеют по своей высоте поперечное сечение в виде параллелограмма.
Может быть предусмотрено, что каждое отверстие боковой стенки имеет резьбу, которая служит для закрепления запорного винта, для того чтобы герметично закрывать отверстие боковой стенки. Запорный винт может быть винтом с внутренним шестигранником и с уплотнением, таким как кольцо круглого сечения. Благодаря соответствующему изобретению расположению первых и вторых каналов запорным винтом могут одновременно закрываться первый и второй канал. Запорные винты могут быть стандартными деталями и предоставляют надежное уплотнение. В случае необходимости они могут быстро заменяться. В качестве уплотнительных материалов для запорных винтов могут, например, использоваться нитрильный каучук (NBR), этилен–пропилен–диен–каучуки (EPDM) или витон. Запорные винты предоставляют надежное уплотнение и обеспечивают равномерное распределение усилия на уплотнение. Кроме того, они могут хорошо совместно выполнять вышеописанное внутреннее движение блочного элемента.
Отверстия боковой стенки благодаря своему наклонному расположению к продольной оси круглого в поперечном сечении канала могут быть в процессе изготовления сначала немного эллиптическими. Следовательно, может быть предусмотрено, что эта эллиптическая форма рассверливается перед процессом нарезания резьбы до круглой формы.
Отверстия боковой стенки могут также закрываться крышкой в виде запорной рейки или запорной пластины, которая совместно герметично закрывает все отверстия каналов проточной камеры или все отверстия каналов в боковой стенке.
Первые и вторые каналы могут пересекаться под углом меньше 90 градусов, предпочтительно под углом от 45 до 75 градусов и далее предпочтительно под углом от 55 до 65 градусов.
В частности может быть предусмотрено, что первые и вторые каналы имеют к боковой стенке блочного элемента одинаковый по модулю угол, который обозначается в дальнейшем также как угол установки. Благодаря такой симметрии углов установки к боковой стенке может достигаться наиболее высокая равномерность проточной камеры. Угол установки оказывает также влияние на физические данные устройства, такие как тепловая мощность и падение давления в проточной камере.
Соответствующее изобретению устройство может иметь проточную камеру, которая предусмотрена для протекания выделяющей тепло текучей среды, и помимо этого проточную камеру, которая предусмотрена для протекания поглощающей тепло текучей среды. Соответствующая теплопроницаемая стенка проточных камер является в этом случае общей стенкой, которая отделяет обе проточные камеры друг от друга. Вместо вышеуказанного понятия "тепло" могло бы также использоваться понятие "количество тепла". Говоря об этом варианте осуществления соответствующего изобретению устройства, речь идет о теплопередатчике. Как было описано выше, перемешивание различных текучих вред не возможно из–за соответствующего изобретению расположения проточных камер в цельном или сплошном блочном элементе. Вышеописанное высокое сопротивление давлению соответствующего изобретению устройства допускает в варианте осуществления теплопередатчика то, что может иметься высокое давление системы внутри одной проточной камеры и существенно более низкое давление системы внутри соседней проточной камеры.
Предпочтительно обе проточные камеры расположены таким образом, что в каждом случае одна опорная стойка первой проточной камеры и одна опорная стойка второй проточной камеры расположены конгруэнтно. Это означает, что вторая проточная камера расположена, будучи как бы повернута на 180 градусов, над первой проточной камерой, так что опорные стойки расположены точно друг над другом. Таким образом, обеспечена очень надежная связанность блочного элемента.
Само собой разумеется, могут быть предусмотрены несколько проточных камер для протекания выделяющей тепло текучей среды и несколько проточных камер для протекания поглощающей тепло текучей среды, причем проточные камеры расположены поочередно.
Теплопередача может быть наиболее эффективной вследствие того, что впускные отверстия и выпускные отверстия, по меньшей мере, двух проточных камер расположены таким образом, что выделяющая тепло текучая среда и поглощающая тепло текучая среда проходят в противотоке друг относительно друга через проточные камеры. Предпочтительно все проточные камеры для выделяющей тепло текучей среды и все проточные камеры для поглощающей тепло текучей среды в каждом случае имеют одно общее впускное отверстие и одно общее выпускное отверстие.
Предпочтительно предусмотрено, что все отверстия каналов, по меньшей мере, одной проточной камеры для выделяющей тепло текучей среды расположены в одной и той же боковой стенке блочного элемента, и все отверстия каналов, по меньшей мере, одной проточной камеры для поглощающей тепло текучей среды расположены в противоположной боковой стенке блочного элемента. Таким образом, две соседние проточные камеры могут располагаться относительно плотно друг к другу или иметь относительно тонкую стенку, которая отделяет обе камеры друг от друга. Таким образом, может достигаться эффективная теплопередача и компактная конструкция блочного элемента.
Проточные камеры, которые предусмотрены для различных текучих сред, могут иметь различные поверхности поперечного сечения. Различные поверхности поперечного сечения могут достигаться простым образом вследствие того, что диаметры каналов в сравнении двух проточных камер выбираются отличными друг от друга. При этом первые и вторые каналы в каждом случае одной и той же проточной камеры могут иметь одинаковые поперечные сечения. В частности таким образом проточные камеры могут также в зависимости от различных текучих сред иметь различные объемы. Это целесообразно, так как различные текучие среды имеют, как правило, различные вязкости.
На двух торцевых сторонах блочный элемент может иметь в каждом случае одну или несколько резьб, которые служат для закрепления блочного элемента на другом конструктивном элементе.
В качестве материала, из которого изготовлен блочный элемент, возможны различные материалы. В частности блочный элемент может быть изготовлен из алюминиевого сплава. Он экономичен и хорошо подходит для изготовления каналов вращающимся инструментом. Могут быть предусмотрены пассивация, нанесение покрытия и/или обработка поверхности блочного элемента, а именно как снаружи, так и внутри.
Задача в отношении способа решается с помощью пункта 12 формулы изобретения. Связанные со способом преимущества описаны выше.
Далее изобретение разъясняется более подробно на основе примера осуществления, причем делается ссылка на чертежи, на которых показано:
фиг. 1 – вид в перспективе соответствующего изобретению устройства, который является теплопередатчиком;
фиг. 2a – поверхность поперечного сечения проточной камеры теплопередатчика с фиг. 1;
фиг. 2b – вид сбоку проточной камеры с фиг. 2a, прежде чем общие отверстия каналов были снабжены резьбой;
фиг. 3 – фрагмент поверхности поперечного сечения с фиг. 2a;
фиг. 4a – вид сбоку справа цельного блочного элемента теплопередатчика с фиг. 1;
фиг. 4b – вид сбоку слева цельного блочного элемента теплопередатчика с фиг. 1;
фиг. 5 – вид сверху блочного элемента с фиг. 1, причем изображено расположение проточных камер;
фиг. 6 – вид в разрезе по линии VI–VI разреза на фиг. 5;
фиг. 7 – вид в разрезе по линии VII–VII разреза на фиг. 5;
фиг. 8 – частичная область C с фиг. 5.
На фигурах частично одинаковые признаки обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Теплопередатчик обозначен ссылочной позицией 1 и имеет цельный алюминиевый блочный элемент 2, который предпочтительно изготовлен из AlMgSi1 и обладает хорошей проводимостью. Блочный элемент 2 имеет впускное отверстие 3 и выпускное отверстие 4 для первой текучей среды и помимо этого впускное отверстие 5, а также выпускное отверстие 6 для второй текучей среды. Говоря о текучих средах, речь может идти в частности о жидкости или газе. Кроме того, теплопередатчик 1 имеет четыре винтовых соединителя 8, которые посредством резьбы 7 ввинчиваются с применением уплотнения (не показано) в отверстия 3 - 6, которые имеют соответствующую внутреннюю резьбу 9. Винтовые соединители 8 имеют также наружную резьбу 10, для того чтобы присоединять шланги для текучих сред.
Блочный элемент 2 имеет в целом шесть расположенных друг над другом проточных камер 20 и 20`, из которых три предусмотрены для протекания первой текучей среды и три для протекания второй текучей среды. Проточные камеры 20, 20` расположены поочередно, так что в каждом случае одна проточная камера 20 для первой текучей среды и одна проточная камера 20` для второй текучей среды отделены друг от друга общей стенкой.
Каждая проточная камера 20 имеет множество отверстий 12 каналов, и каждая проточная камера 20` имеет множество отверстий 12` каналов, которые в каждом случае находятся в одной из обеих боковых стенок 13 и 13` блочного элемента 2. Так как проточные камеры 20, 20` расположены параллельно к поверхности 14 блочного элемента 2, в каждом случае один горизонтальный ряд отверстий 12, 12` каналов относится к одной из проточных камер 20, 20`.
На фиг. 4a можно увидеть все отверстия 12` каналов в правой боковой стенке 13`, а на фиг. 4b все отверстия 12 каналов в левой боковой стенке 13. Отверстия 12 каналов относятся к проточным камерам 20 первой текучей среды, а отверстия 12` каналов к проточным камерам 20` второй текучей среды. На фиг. 1, за исключением трех, все отверстия 12` каналов закрыты запорными винтами, которые имеют кольцо круглого сечения в качестве уплотнения и головку с внутренним шестигранником. С этой целью каждое отверстие 12, 12` каналов имеет резьбу.
На обеих торцевых сторонах блочный элемент 2 имеет соединительную резьбу 17 для закрепления теплопередатчика 1 внутри сборочного узла. На фиг. 2a и 2b показана проточная камера 20` второй текучей среды. Фрагмент этой поверхности поперечного сечения изображен на фиг. 3. Можно увидеть множество опорных стоек 21, которые имеют ромбовидное поперечное сечение. Образованы опорные стойки 21 множеством круглых сверленых отверстий, которые представляют собой первые каналы 22, и множеством круглых сверленых отверстий, которые представляют собой вторые каналы 23. На фиг. 3 каналы 22 представлены пунктирными линиями, которые проходят вдоль продольного направления каналов. Благодаря круглому поперечному сечению соответствующего канала 22 самое глубокое распространение канала 22 проходит вдоль пунктирной линии, причем соответствующее справедливо для вторых каналов 23. Первые каналы 22 имеют положительный угол 25 установки с боковой стенкой 13`, и вторые каналы 23 имеют равный по модулю отрицательный угол 25` установки с боковой стенкой 13`. Стрелки 26 обозначают ширину первого канала 22.
Первые и вторые каналы 22, 23 имеют отверстия 12` каналов, которые можно увидеть на фиг. 2b, и, говоря о которых, речь за исключением двух внешних отверстий каналов идет об общих отверстиях каналов. На виде сверху согласно фиг. 2b посередине можно увидеть ромбовидную в поперечном сечении опорную стойку 21. Противоположные концы 27 каналов 22, 23 закрыты. На фиг. 2b отверстия 12` каналов находятся еще в состоянии, прежде чем они были рассверлены до круглой формы и снабжены резьбой, и имеют таким образом еще несколько эллиптическую форму.
Соответствующим образом устроена проточная камера 20 для первой текучей среды, причем она расположена, будучи повернута от расположения на 180 градусов, ниже проточной камеры 20` и между двумя проточными камерами 20`. Соответствующие опорные стойки 21 расположены друг над другом конгруэнтно.
На фиг. 6 можно увидеть все шесть проточных камер 20, 20` в разрезе, причем между несколько эллиптическими разрезами каналов 22 и 23, через которые просматриваются опорные стойки 21, также находятся опорные стойки 21, из которых одна обозначена в качестве примера ссылочной позицией 21. У впускного отверстия 5 и выпускного отверстия 6 можно увидеть отверстия 12` каналов. Через впускное отверстие 5 вторая текучая среда протекает во все три проточные камеры 20` и из них через выпускное отверстие 6 снова из блочного элемента 2 наружу. Соответствующее справедливо для впускного отверстия 3 и выпускного отверстия 4, относящихся к первой текучей среде, причем соединение текучей среды между проточными камерами 20` и выпускным отверстием 6, а также между проточными камерами 20 и впускным отверстием 3 можно увидеть в частности на фиг. 7.
На фиг. 8 линией 28 обозначена выемка, которая служит для того, чтобы соединять среднюю проточную камеру 20` с возможностью прохождения текучей среды с выпускным отверстием 6.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 теплопередатчик
2 блочный элемент
3 впускное отверстие
4 выпускное отверстие
5 впускное отверстие
6 выпускное отверстие
7 резьба
8 винтовой соединитель
9 внутренняя резьба
10 наружная резьба
12, 12` отверстия каналов
13, 13` боковые стенки
14 поверхность блочного элемента 2
15 запорные винты
16 головка с внутренним шестигранником
17 соединительная резьба
20, 20` проточные камеры
21 опорная стойка
22 первые каналы
23 вторые каналы
25, 25` угол установки
26 стрелки
27 закрытые концы  у 22, 23
28 линия