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Die
Erfindung betrifft ein Heizgerät,
insbesondere ein Fahrzeugzusatzheizgerät, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Ein
derartiges Heizgerät
ist beispielsweise aus der
DE
38 39 244 C2 bekannt. Es ist üblich, bei Wärmeübertragern
derartiger Heizgeräte
im Bodenteil des vom Wärmeträger durchströmten Zwischenraums
sowie in dessen Ringteil Schikanen zu bilden, die dazu dienen, den
Wärmeträger gleichmäßig, möglichst
unter Verhinderung von Blasenbildung zwischen Ein- und Auslassstutzen
zu verteilen. Im Ringteil sind diese Schikanen zumeist schrauben-
bzw. spiralförmig
gebildet.
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Nachteilig
ist dabei, dass aus bautechnischen Gründen nur eine begrenzte Anzahl
von Schikanen vorgesehen werden können, so dass eine Blasenbildung
im Wärmeträger nicht
vollständig
vermieden werden kann, insbesondere nicht beim Befüllen des
Systems mit Wasser. Der durch Materialanhäufungen für die Schikanen bedingte dickere
Wärmeträgermantel
trägt zudem
nur in einer dünnen,
dem heißen
Wärmeübertrager-Innenteil zugewandten Grenzschicht
zur Wärmeabfuhr
bei, während
die an der Innenseite des Wärmeübertrager-Außenteils strömende Wasserschicht
nicht genutzt wird. Die Strömungsverhältnisse
sind wegen des großen
Ringteilquerschnitts des Zwischenraums laminar, d.h. der Wärmeaustausch
quer zur Strömungsrichtung
ist unzureichend und begünstigt
Dampfblasenbildung speziell bei geringen Wärmeträgerdurchflussmengen. Außerdem entstehen
durch die längs
angeordneten Schikanen höhere
Werkzeug- und Teilekosten aufgrund zusätzlicher Schieber, die quer
zur Entformungsrichtung erforderlich sind, und aufgrund größerer Taktzeiten.
Da Luft- und Dampfblasen durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit nicht
stets mitgerissen werden, kann es zu einer örtlichen Überhitzung des Wärmeübertragers
kommen. Die Anordnung eines Überhitzungsschutzes
ist jedoch relativ schwierig, da je nach Einbaulage das Ausbilden
der Blasen an anderer Stelle erfolgen kann. Nicht zuletzt ist die
Mindestwärmeträgermenge
aufgrund einer Gefahr des Hängenbleibens
von Blasen nach unten hin eingeschränkt.
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Angesichts
dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Heizgerät der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, dessen
Wärmeübertrager
bei relativ geringen Werkzeugkosten und einfachem Werkzeugaufbau
hergestellt werden kann, ohne dass die Gefahr einer Blasenbildung
und einer damit verbundenen Überhitzung
besteht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Demnach
besteht der Kern der Erfindung darin, dass der Wärmeträger führende Ringspalt längs dem
Innen- und Außenteil
des Wärmeübertragers keinerlei
Schikanen enthält,
sondern lediglich bezüglich
seiner Querschnittsfläche
stark eingeengt ist, um die erwünschte
Strömungsführung zu
erzwingen, und zwar auf ein Maß,
das in etwa der Innenquerschnittsfläche der Ein- und Auslassstutzen
des Wärmeträgers entspricht.
Diese überraschend
einfache Maßnahme
gewährleistet,
dass eine Blasenbildung im Wärmeübertrager
im Zwischenraum, und zwar im kritischen Ringspalt desselben weitestgehend
vermieden wird, wobei insbesondere ein Hängen bleiben von Blasen zuverlässig vermieden
wird. Außerdem
kann auf diese Weise ein Überhitzungsschutz sicherer
platziert und ausgelegt werden. Die Baugröße des Wärmeübertragers wird minimiert,
da der Wärmeübertragermantel
im Bereich des Ringspalts "dünner", d.h. aufgrund der
fehlenden Schikanen im Durchmesser reduziert ist. Nicht zuletzt
fallen geringere Werkzeugkosten durch einfacheren Werkzeugaufbau
an, da im Gegensatz zum Stand der Technik keine Querschieber zur
Herstellung von Schikanen erforderlich sind. Vielmehr sind die Innenteile
und die Außenteile
des Wärmeübertragers
in einfacher Weise in Zugrichtung entformbar. Dies ist auch mit
günstigeren
Taktzeiten bei der Herstellung verbunden. Schließlich sind wesentliche geringere
Wärmeträgerdurchflussmengen
als bislang realisierbar, ohne dass mit Überhitzung zu rechnen wäre.
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Vorteilhafterweise
ist der axiale Abstand zwischen den Böden der Wärmeübertrager-Innen- und Außenteile
im Bereich des größten Durchmessers des
Innenteils ebenfalls stark verringert, und zwar bevorzugt entsprechend
der Querschnittsfläche
des Ringspalts.
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Ferner
sind Vorteilhafterweise auf der Wärmeträger-Ein- und Austrittsseite
Wassersammelräume
vorgesehen, deren Querschnittsflächen
dem Zwei- bis Dreifachen der Querschnittsfläche des Wärmeträgermittelführenden Ringspalts entsprechen.
Im Bodenbereich ist ein Wassersammelraum im Bereich des axialen
Zwischenraums zwischen den Böden
innerhalb eines durch einen axialen Vorsprung am Boden des Innenteils
begrenzten zentralen Bodenbereichs gebildet. Um den Wärmeträgereintritt
in diesen Sammelraum zu gewährleisten, muss
besagter Vorsprung im Bereich des Wärmeträger-Einlassstutzens unterbrochen sein. Um
die Wärmeabfuhr
des hoch belasteten Bodens in diesem Sammelraum zu verbessern, können hier
Rippen oder Stifte angeordnet sein.
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Der
Wärmeträger-Sammelraum
auf der Wärmeträger-Austrittsseite
wird durch einen querschnittsvergrößerten Teil des Ringspalts
gebildet und hat in etwa die Breite des Auslassstutzens.
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Um
in Umfangsrichtung einen möglichst gleichmäßigen Spalt
des Ringspalts zu gewährleisten,
sind dort mehrere Zentrierrippen, zumindest jedoch drei derartige
Rippen vorgesehen. Diese übernehmen
außerdem
die Aufgabe einer in Umfangsrichtung gleichmäßigen Verteilung der aus dem
bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraum
und dem sich daran anschließenden
Ringspalt strömenden Wassermenge.
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Die
beiden vorstehend genannten Wärmeträger-Sammelräume weisen
einen strömungstechnisch
deutlich geringeren Druckverlust auf als der Ringspalt, so dass
der Wärmeträgerstrom
zwischen den beiden Sammelräumen
gleichmäßig in Umfangsrichtung
verteilt wird.
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Zusätzlich kann
Vorteilhafterweise im Einlassstutzen- bzw. bodenseitigen Sammelraum
eine Rippenstruktur zur Strömungsverteilung
des über den
Einlassstutzen zuströmenden
Wärmeträgers vorgesehen
sein, so dass der radial in den Sammelraum eingeleitete Wärmeträger umfangsmäßig zumindest
im wesentlichen gleichmäßig verteilt
in den Ringspalt eintritt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es
zeigen:
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1:
einen Längsschnitt
durch den Wärmeübertrager
eines Heizgeräts,
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2:
einen Querschnitt des Heizgeräts
von 1 im Bodenbereich durch den bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraum
in Richtung auf den Wärmeträger-Auslassstutzen gesehen,
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3:
eine Längsschnittansicht
des Heizgeräts
von 3 im Bodenbereich und
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4:
eine Längsschnittansicht
des Heizgeräts
von 1 im Bereich des auslassstutzenseitigen Wärmeträger-Sammelraums.
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In 1 ist
der Wärmeübertrager
eines Heizgeräts
gezeigt, bei dem es sich insbesondere um ein Fahrzeugzusatzheizgerät mit flüssigem Wärmeträger handeln
kann. Von diesem Heizgerät
ist ausschließlich
der Wärmeübertrager
dargestellt, in dessen Innenseite ein nicht dargestellter Brenner
in eine nicht dargestellte Brennkammer ragt, die von einem ebenfalls
nicht dargestellten Brennrohr gebildet ist. Die Brennkammer verläuft koaxial
zu dem Wärmeübertrager 1 vom
Druckgusstyp. Der Wärmeübertrager 1 besteht
aus einem topfförmigen
Außenteil 2 und
einem Innenteil 3, das unter Belassung eines Zwischenraums
in das Außenteil 2 eingesetzt
ist. Dieser Zwischenraum besteht aus einem sich im wesentlichen über die
gesamte Länge
des Wärmeübertragers 1 erstreckenden
Ringspalt 4 zwischen den beispielsweise zylindrischen Wandungen
der topfförmigen
Innen- und Außenteile 2, 3 und
aus einem bodenseitigen axialen Zwischenraum 5 zwischen
dem Boden 6 des Innenteils 3 und dem Boden 7 des
Außenteils 2.
Die Innenseite des Innenteils 3 ist mit Rippen versehen,
die bei der vorliegenden Erfindung keine Rolle spielen und deshalb
bezüglich
ihrer Struktur nicht näher
erläutert
werden.
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Das
topfförmige
Außenteil 2 ist
axial kürzer gebildet
als das topfförmige
Innenteil 3, an dessen bodenfernem Rand radial beabstandet
ein Ring 8 gebildet ist, der zwischen seiner Innenseite
und der Außenseite
des Innenteils 3 einen Ringraum 14 festlegt, auf
den nachfolgend im einzelnen eingegangen wird. Der Ring 8 umgreift
den bodenfernen Rand des Außenteils 2 und
ist gegenüber
diesem mittels einer O-Ring-Dichtung 9 abgedichtet, die
dort im radialen Dichtsitz vorgesehen ist.
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Mit
dem Innenraum des Innenteils 3 steht ein Abgasstutzen 10 in
Verbindung, der in diesen Raum über
eine Öffnung 11 mündet, mit
dem Innenteil 3 fest verbunden ist und den Ringraumteil
zwischen dem Ring 8 und dem Innenteil 3 sowie
den Ring 8 durchsetzt.
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Ein
Wärmeträger-Einlassstutzen 12 ist
radial vorspringend am Außenumfang
des Außenteils 2 einstückig mit
diesem in seinem Bodenbereich gebildet. Der Einlassstutzen 12 steht
in Verbindung mit dem Zwischenraum 5 bzw. dem Ringspalt 4 und
dem vorstehend genannten Ringraum 14 im Bereich des Rings 8.
Außerdem
ist ein in 1 nicht dargestellter, in 2 gezeigter
Wärmeträger-Auslassstutzen 13 vorgesehen,
der an den Ring 8 angeformt ist und sich in tangentialer
Richtung auswärts
(senkrecht zur Papierebene von 1) erstreckt.
Dieser Auslassstutzen 13 geht ab in den vom Ring 8 umschlossenen Ringraum 14,
der in den Ringspalt 4 übergeht.
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Während Wärmeübertrager
von herkömmlichen
Heizgeräten
mit Strömungsschikanen
im Bereich des Zwischenraums zwischen Innen- und Außenteils
des Wärmeübertragers
versehen sind, ist erfindungsgemäß der Ringspalt 4 frei
von Schikanen gebildet. Um in diesem Ringspalt 4 das gewünschte Strömungsverhalten
für den
Wärmeträger gewährleisten
zu können,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, den
Ringspalt 4 mit einer sehr geringen Querschnittsfläche zu bilden,
nämlich
mit einer Querschnittsfläche,
die im wesentlichen nicht größer ist
als die Innenquerschnittsfläche
der Ein- und Auslassstutzen 12 und 13, bzw. der
mit diesen verbundenen, nicht dargestellten Wasser/Kühlmittelleitungen.
Der längenbezogene
Druckverlust im Ringspalt 4 des Wärmeübertragers 1 soll
etwa gleich dem in den Kühlmittelleitungen
sein.
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Auf
der Wärmeträger-Ein-
und Austrittsseite, d.h. im Bereich des Einlassstutzens 12 und
des Auslassstutzens 13 sind ferner Wärmeträger-Sammelräume gebildet. Bei diesen Räumen handelt
es sich im Bereich des Einlassstutzens 12 um den vom Wärmeträger durchsetzten
axialen Zwischenraum 5, während es sich im Bereich des
Auslassstutzens 13 bei dem Sammelraum um den Ringraum 14 handelt, der
durch den Ring 8, die Außenseite des Wärmeübertrager-Innenteils 3 und
den Ringrand des Wärmeübertrager-Außenteils 2 begrenzt
ist, ab welchem dieser Ringraum 14 in Richtung auf den
Boden des Heizgeräts 1 in
den erfindungsgemäß verengten Ringspalt 4 übergeht.
Erfindungsgemäß sind die Querschnittsflächen des
Wärmeträger-Sammelraums 14 und
des im Bereich des axialen Zwischenraums 5 gebildeten Sammelraums
mit einer größeren Querschnittsfläche gebildet
als der Ringspalt 4. Insbesondere beträgt die Querschnittsfläche der Sammelräume 5, 14 das
Mehrfache der Querschnittsfläche
des Ringspalts 4, vor allem dem Zwei- bzw. dem Dreifachen
dieser Querschnittsfläche.
Dadurch wird erreicht, dass die beiden Wärmeträger-Sammelräume 5 und 14 einen
strömungstechnisch
deutlich geringeren Druckverlust aufweisen als der Ringspalt 4.
Dadurch wird der Wärmeträgerstrom zwischen
diesen beiden Wärmeträger-Sammelräumen 5 und 14 gleichmäßig in Umfangsrichtung
verteilt. Durch den engen Ringspalt 4 können sich aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit
des Wärmeträgers in
diesem Teil Blasen nicht halten und werden mitgerissen. Eine entsprechende
Entlüftung erfolgt
damit zuverlässiger
wie beim Stand der Technik, der in diesem Bereich Schikanen vorsieht.
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Wie
aus 3 hervorgeht, ist der bodenseitige Wärmeträger-Sammelraum
im zentralen Bereich des axialen Zwischenraums 5 mit der
vorstehend genannten vergrößerten Querschnittsfläche gebildet, während dieser
Sammelraum im Bereich seines größten Durchmessers
durch bei 15 in 3 angedeutete Vorsprünge am Boden 6 des
Innenteils 3 auf eine Spaltquerschnittsfläche verringert
ist, die der Querschnittsfläche
im Ringspalt 4 entspricht. Diese Besonderheit entspricht
einem Boden-Ringspaltbereich des Wärmeübertragers 1, der
dort mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet ist. Erreicht wird
dieser Bodenringspalt 15 durch eine entsprechende Ausgestaltung
des Bodens 6 des Wärmeübertrager-Innenteils 3,
welcher Boden 6 im zentralen Teil unter relativ großem Abstand
zum Boden 7 des Wärmeübertrager-Außenteils 2 verläuft, während dieser
Boden 6 im Bereich größten Durchmessers
axial in Richtung auf den Boden 7 vorspringt. Wie in 3 gestrichelt
gezeigt und mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet, kann der
Wärmeträger-Sammelraum 5 im
Bodenbereich des Wärmeübertragers 1 dadurch
vergrößert sein, dass
dieser Boden 6 im zentralen Teil nur einwärts oder
ein- und auswärts
gewölbt
ist.
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Um
den Wassereintritt in den bodenseitigen Sammelraum im Bereich des
axialen Zwischenraums 5 zu gewährleisten, ist der den Bodenringspalt 15 festlegende
Bodenbereich größten Durchmessers des
Bodens 6 im Bereich des Einlassstutzens 12 unterbrochen.
Um die Wärmeabfuhr
des hoch belasteten Bodens 6 im Sammelraum zu verbessern,
können
hier Rippen oder Stifte angeordnet sein.
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Um
in Umfangsrichtung einen möglichst gleichmäßigen Spalt
für den
Ringspalt 4 zu gewährleisten,
sind beispielsweise innen am Wärmeübertrager-Außenteil 2 Zentrierrippen 17, 17', 17'', 17''' und 17'''' vorgesehen,
auf denen das Wärmeübertrager-Innenteil 3 ruht.
Diese Zentrierrippen übernehmen
außerdem
die Aufgabe einer in Umfangsrichtung gleichmäßigen Verteilung der aus dem
bodenseitigen Wärmeträger-Sammelraum
austretenden Wassermenge.
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4 zeigt
eine Darstellung des Wärmeträger-Sammelraums
in Gestalt des Ringraums 14 radial einwärts vom Ring 8. Die
axiale Breite dieses Sammelraums entspricht in etwa dem Außendurchmesser
des Auslassstutzens 13. Dieser ringförmige Wärmeträger-Sammelraum 14 ist
glattwandig gebildet. Der andere Wärmeträger-Sammelraum im Bereich des
axialen Zwischenraums 5 kann ebenfalls glattwandig gebildet
sein. Er ist jedoch bevorzugt mit einer Rippenstruktur in diesem
Bereich versehen, wie in 2 gezeigt. Diese Rippenstruktur
ist im Zentrum des Bodenbereichs angeordnet und umfasst vier Rippen 18, 19, 20, 21,
die sich ausgehend von dem gewölbten
Bodenteil 16 des Wärmeübertrager-Innenteils 3 gekrümmt in Richtung
auf den Einlassstutzen 12 erstrecken und dafür sorgen,
dass der über
den Einlassstutzen 12 eintretende Wärmeträger nicht direkt im Kurzschluss
zu dem dem Einlassstutzen 12 gegenüberliegenden Wandteil des Wärmeübertrager-Außenteils 2 strömt und damit
bevorzugt dort in den Ringspalt 4 des Zwischenraums eintreten
würde, was
aus Gründen
eines optimalen Wirkungsgrads des Wärmeübertragers nicht erwünscht wäre. Vielmehr
wird durch die Rippen 18, 19, 20, 21 der über den
Einlassstutzen 12 zuströmende
Wärmeträger derart
verteilt, dass er nahezu gleichmäßig über den gesamten
Umfang des Wärmeübertrager-Innenteils 3 in
den Ringspalt 4 gelangt. Zu diesem Zweck ist bei der dargestellten
Ausführungsform
eine weitere Rippe 22 zusätzlich vorgesehen, die das
im Wesentlichen kreisförmige
gewölbte
Bodenteil 16 teilt und parallel zur Längsmittenlinie des Einlassstutzens 12 verläuft.
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Außenteil
(von 1)
- 3
- Innenteil
(von 1)
- 4
- Ringspalt
- 5
- (axialer)
Zwischenraum
- 6
- Boden
- 7
- Boden
- 8
- Ring
- 9
- O-Ring-Dichtung
- 10
- Abgasstutzen
- 11
- Öffnung
- 12
- (Wärmeträger-) Einlassstutzen
- 13
- (Wärmeträger-) Auslassstutzen
- 14
- Ringraum
- 15
- Bodenringspalt
- 16
- gewölbter Bodenteil
- 17
- Zentrierrippen
- 18
- Rippe
- 19
- Rippe
- 20
- Rippe
- 21
- Rippe
- 22
- Rippe