AT508537A1 - Plattenwärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten platten - Google Patents

Description

• • ♦ ♦ • ♦ • ···· • « • · «V ·· · · • • • • · • · · ··· • • • • · • ···· · · • • • • · • · · · • · 1 • « • • · · ♦ · · 14422

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Platten, die abwechselnd jeweils einen ersten und einen zweiten Durchflussraum für ein erstes bzw. zweites Medium aufspannen, wobei jede Platte einen umlaufenden Rand aufweist und im Wesentlichen wannenförmig gestaltet ist und wobei zwei benachbarte Platten jeweils über die umlaufenden Ränder miteinander verbunden sind, und wobei eine Endplatte fest mit zumindest einer benachbarten Platte an zumindest einem Ende des Stapels fest mit einer Endplatte verbunden ist, wobei der umlaufende Rand der benachbarten Platte über eine parallel zu diesem Rand ausgebildete Wandfläche an der Endplatte abgestützt und mit dieser Wandfläche fest verbunden ist.

Die EP 0 623 798 A2 beschreibt einen Plattenwärmetauscher mit aufeinander gestapelten wannenförmigen Wärmetauscherplatten, deren umlaufende Ränder aneinander anliegen und dicht miteinander verlötet sind, wobei alle Wärmetauscherplatten die gleiche Form aufweisen. Bei solchen Bauarten bildet die unterste der wannenförmigen Platten, die an der Endplatte angebracht ist, im Hinblick auf die Festigkeit das schwächste Glied. Insbesondere die im üblichen Aufbau entstehende Kerbe zwischen der unteren wannenförmigen Platte und der Endplatte ist hinsichtlich Krafteinleitung und Festigkeit ungünstig. Ölkühler solcher Art werden im Allgemeinen an der Endplatte mittels Schrauben am Motorblock oder an motornahen Modulen befestigt, und sind daher im Betrieb des Motors hohen Querbeschleunigungskräften auf Grund der Motorvibrationen unterworfen. Eine in der Regel noch kritischere Belastung resultiert aus dem pulsierenden Öldruck des Schmiersystems. Dieser wirkt einerseits von innen in den einzelnen Öllagen und andererseits von unten auf die Anschlussplatte. Das gegenüberliegende Modul bzw. das Motorgehäuse ist an der Schnittstelle zumeist mit längeren, offenen Ölführungskanälen ausgeführt, welche mittels einer Konturdichtung und der Wärmetauscher-Endplatte geschlossen werden. Durch die Vorspannung der Dichtung und insbesondere durch den schwellenden Öldruck in den Anschlusskanälen wird die Wärmetauscher-Anschlussplatte auf Biegung belastet.

Plattenwärmetauscher der erwähnten Art halten solche Belastungen in der Regel nicht aus, die erwähnte Kerbe ist oft Ausgangspunkt von Rissen in der untersten Ölplatte bzw. in der Lötung. Die Folge ist Undichtheit und Medienverlust.

Aus der DE 197 11 258 C2 ist ein Plattenwärmetauscher für einen Kraftfahrzeugmotor bekannt, welcher aus mehreren wannenförmigen Platten besteht, die zur Bildung von benachbarten Hohlkammern mit ihren hoch stehenden Rändern ineinander liegend auf Abstand gestapelt und verlötet sind, wobei die unterste #* ····«· I · ·· • ·« · · #t · · • ·· · · ······ ····· ·»··♦·· ····· · · · · • *2 ·* · · · · · ··

Platte an einer Endplatte angebracht ist. Um die Festigkeitsanforderungen für eine Montage direkt am Motorblock zu erfüllen, ist zwischen der Endplatte und der untersten Platte zusätzlich eine Verstärkungsplatte angeordnet, die mit einem den Rand der untersten Platte einfassenden Bord versehen ist. Die Verstärkungsplatte ist mit der untersten Platte verlötet.

Die WO 2007/038871 Al beschreibt einen Plattenwärmetauscher mit einer Endplatte und einem Stapel von wannenförmigen Platten, wobei die unterste Platte flächig an der Endplatte aufliegt. Die unterste Platte ist von einem umlaufenden Versteifungsrahmen umgeben.

Reichen diese Verstärkungsmaßnahmen nicht aus, wird üblicher weise die als Blech-Stanzteil ausgeführte Endplatte entsprechend stärker dimensioniert, was jedoch den Platzbedarf, das Gewicht und die Kosten erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Plattenwärmetauscher der eingangs genannten Art die Anforderungen hinsichtlich Festigkeit zu erfüllen, ohne die Gesamtbauhöhe bzw. den Materialeinsatz wesentlich zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Endplatte aus einer Aluminiumlegierung besteht, wobei vorzugsweise die Wandfläche zwischen zwei im wesentlichen ebenen, parallelen Oberflächen der Endplatte ausgebildet ist.

Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung kann die Wandfläche durch eine innere Mantelfläche einer im wesentlichen wannenartige Aufnahme der Endplatte für die benachbarte Platte gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Endplatte eine Montageplatte des Plattenwärmetauschers ausbildet. Teile können dabei eingespart werden, wenn die Aufnahme zumindest teilweise durch eine eingeformte Vertiefung in der Endplatte gebildet ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Endplatte aus einem im wesentlichen ebenen Plattenteil und einem mit dem Plattenteil vorzugsweise untrennbar verbundenen Rahmenteil besteht, wobei die Aufnahme zumindest teilweise durch den Rahmenteil gebildet sein kann.

Die Tiefe der Aufnahme sollte im wesentlichen zumindest der Höhe des Randes der benachbarten Platte entsprechen.

In einer weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Wandfläche durch eine äußere Mantelfläche der Endplatte gebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Endplatte eine Deckplatte des Plattenwärmetauschers ausbildet. 9 9 99 9999 · · ·· • · · · ··#· · 9 9 9 9 9 9 9 9 99· 9 9 9 9 9 9 9*99 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 • 9 9 · ·· * * ··

Um eine besonders gute Verbindung zwischen der benachbarten Platte und der Endplatte zu erreichen, ist vorgesehen, dass die benachbarte Platte die Endplatte zumindest überwiegend mit der der Endplatte zugewandten Fläche kontaktiert, wobei vorzugsweise die Endplatte mit der benachbarten Platte verlötet ist.

Durch diese beschriebenen Formgebungen wird die zuvor beschriebene Kerbe vermieden, und der Kraftfluss kann sich ausgehend von den Schraubpunkten auf eine wesentlich größere Übergangsfläche zu den Platten des Plattenwärmetauschers verteilen. Ebenso wird das Widerstandsmoment des gesamten Wärmetauschers entscheidend erhöht. Dies zeigt sich in Finite Elemente-Festigkeitsberech-nungen deutlich. Um eine hohe Festigkeit bei geringem Materialeinsatz zu erreichen, kann die Endplatte auf der der benachbarten Platte abgewendeten Seite zumindest teilweise Aussparungen zur Gewichtsreduzierung, vorzugsweise wabenartige Strukturen, aufweisen. Da diese 3-dimensionale Formbebung jedoch kaum durch ein übliches Stanzteil dargestellt werden, müssen andere Herstellungsverfahren verwendet werden. Als Fertigungsverfahren eignen sich hierzu etwa: - spezifische Aluminium-Gussverfahren wie Thixoguss- bzw. Vacural Druckgießverfahren, in welchen lötfähige Legierungen verarbeitet werden können, - Umformverfahren wie Schmieden bzw. Fließpressen, - Sinterverfahren, sofern für geeignete Legierungen anwendbar, - Mechanische Bearbeitung, sofern wirtschaftlich sinnvoll (bei Prototypen).

In die Endplatte können erforderliche Öffnungen, wie Zu- oder Ablauföffnungen für das erste oder zweite Kühlmittel eingegossen sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher in einer Schrägansicht in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 den Plattenwärmetauscher in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 eine Endplatte dieses Plattenwärmetauschers in einer Schrägansicht von oben, Fig. 4 diese Endplatte in einer Schrägansicht von unten, Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher in einer Schrägansicht in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 6 den Plattenwärmetauscher in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5, Fig. 7 einen Rahmenteil dieses Plattenwärmetauschers in einer Schrägansicht von oben, Fig. 8 diesen Rahmenteil in einer Schrägansicht von unten, Fig. 9 einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher in einer Schrägansicht in einer dritten

Ausführungsvariante, Fig. 10 den Plattenwärmetauscher in einem Schnitt gemäß der Linie X-X in Fig. 9, Fig. 11 eine Endplatte dieses Plattenwärmetauschers in einer Schrägansicht von oben, Fig. 12 diese Endplatte in einer Schrägansicht von unten, Fig. 13 die Endplatte aus Fig. 11 in einer Ausführungsvariante in einer Schrägansicht von oben und Fig. 14 die Endplatte aus in einer Schrägansicht von unten.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Plattenwärmetauscher 1 mit einer Anzahl von übereinander gestapelten wannenförmigen Platten 2, wobei zwischen den zwei benachbarten Platten 2 jeweils ein Durchflussraum 3 für ein erstes oder zweites Medium ausgebildet ist. Die Ränder 4 jeweils zweier benachbarte Platten 2 sind miteinander verlötet.

Im Bereich der untersten Platte 2 des Stapels 5 ist im Bereich der dem Rand 4 abgewandten Seite 6 eine Endplatte 7 aus einer Aluminiumlegierung angeordnet.

Die Endplatte 7 ist fest mit zumindest einer benachbarten Platte 2 am unteren Ende 14 Stapels 5 fest mit einer Endplatte 7 verbunden ist, wobei der umlaufende Rand 4 der benachbarten Platte 2 an einer parallel zu diesem Rand 4 ausgebildeten Wandfläche 19 der Endplatte 7 abgestützt und mit dieser Wandfläche 19 fest verbunden ist. Die Wandfläche 19 ist dabei zwischen ebenen, parallelen Oberflächen 7', 7" der Endplatte 7 ausgebildet. Bei dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Wandfläche 19 durch eine innere Mantelfläche 16 einer im wesentlichen wannenartige Aufnahme 17 der Endplatte 7 für die benachbarte Platte 2 gebildet, wobei die Aufnahme 17 als eine in die Endplatte 7 eingeformte Vertiefung 18 ausgeführt ist, welche im Wesentlichen die Form der untersten Platte 2 hat. Die Endplatte 7 mit der Vertiefung 8 kann beispielsweise durch ein Thixogussverfahren hergestellt sein. Die Tiefe t der Vertiefung 8 entspricht im Wesentlichen zumindest der Höhe h des Randes 4 einer Platte 2.

Im Ausführungsbeispiel wird die unterste Platte 2 zur Gänze von der Vertiefung 8 aufgenommen, wobei die der Endplatte 7 zugewandte Fläche 2a der Platte 2 vollflächig an der Endplatte 7 anliegt. Dabei ist die gesamte Fläche 2a der Platte 2 mit der Endplatte 7 verlötet.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, sind in die Endplatte 7 Öffnungen 9 für den Zu- oder Ablauf der Kühlmedien eingeformt.

Da die 3-dimensionale Formbebung der die Aufnahme aufweisenden Endplatte 7 nicht durch ein übliches Stanzteil erzeugt werden kann, müssen andere Herstellungsverfahren verwendet werden. Als Fertigungsverfahren eignen sich hierzu etwa: mm mm mmmm « m » « · · · · ft · * • · · « · ······ • t I · t t ·♦·♦ · * ····· 9 t·* * ·· · «ff · * · - spezifische Aluminium-Gussverfahren wie Thixoguss- bzw. Vacural Druckgießverfahren, in welchen lötfähige Legierungen verarbeitet werden können, - Umformverfahren wie Schmieden bzw. Fließpressen, - Sinterverfahren, sofern für geeignete Legierungen anwendbar, - Mechanische Bearbeitung, sofern wirtschaftlich sinnvoll (bei Prototypen).

Durch die Endplatte 7 aus einer beispielsweise im Thixogussverfahren hergestellten Aluminiumlegierung kann die Festigkeit des Plattenwärmetauschers 1 ausreichend erhöht werden, ohne dass wesentliche Nachteile hinsichtlich Bauhöhe und Gewicht in Kauf genommen werden müssen.

Im in den Fig. 5 bis 8 dargesteilten Ausführungsbeispiei besteht die Endplatte 7 aus einem durch eine Stanzplatte gebildeten, im wesentlichen ebenen Plattenteil 7a und einem mit diesem untrennbar verbundenen Rahmenteil 7b, wobei der Rahmenteil 7b eine zusätzliche, den Wärmetauscherblock umfassende Verstärkung bildet. Der Rahmenteil 7b wird mit einem der oben angeführten Fertigungsverfahren gebildet, so dass ein ähnlicher Körper wie im in den Figuren 1 bis 4 Ausführungsbeispiel 1 entsteht. Der Rahmenteil 7b bildet eine Aufnahme 17 für die benachbarte Platte 2, wobei eine durch eine innere Mantelfläche 16 des Rahmenteils 7b gebildete Wandfläche 19 den Rand 4 der benachbarten Platte 2 abstützt.

Da der durch eine Blechplatte gebildete ebene Plattenteil 7a eine Lotplattierung aufweisen kann, ist es möglich, direkt darauf eine Turbulenzeinlage 10 anzulöten. Dadurch wird eine Platte eingespart.

Bei den in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Ausführungsvarianten bildet die Endplatte 7 jeweils eine Montageöffnungen 11 aufweisende Montageplatte 12 aus.

Die Hg. 9 bis 14 zeigen dagegen Plattenwärmetauscher 1, bei denen die Endplatte 7 eine Deckplatte 13 ausbildet. Hier zeigen sich ähnliche Vorzüge durch den vollflächigen Kontakt bzw. die Vermeidung von Kerben durch eine 3-dimen-sional geformte Deckplatte 13, anstatt eines üblichen, ebenen Stanzblechteils. Die Deckplatte 13 muss ebenso Öldruck und Vibration standhalten bzw. die übrige Plattenstruktur des Plattenwärmetauschers 1 geringst möglich belasten. Die Ränder 4 der obersten Platte 2 am oberen Ende 15 des Stapels 5 stützen sich dabei an der durch eine äußere Mantelfläche 18 gebildeten Wandfläche 19 der Endplatte 7 ab und sind mit dieser durch Löten fest verbunden. Um Material und Gewicht ohne Beeinträchtigung der Festigkeit einzusparen, kann die Oberfläche »··· · * ** « · * • · · • ♦ ·

• · · · · · • · · · · ··· • · · ··«« · t • · · · ♦ · • * · · * * · der Endplatte 7 strukturiert, beispielsweise in Form einer Wabenstruktur 20, ausgebildet sein.

Wahlweise kann in die Deckplatte 13 ein (oder mehrere) Anschlussstutzen 21 integriert sein, welcher vorzugsweise im selben Fertigungsschritt wie die Endplatte 7 selbst erzeugt wird, wie in Fig. 13 und 14 gezeigt ist.

Claims (14)

1. « · · f 9 · t · 99« « 9 · 9 9 I 9999 9 9 • * t · · 9 9*9 • 9^ 99 · 999 * ·* PATENTANSPRÜCHE 1. Plattenwärmetauscher (1) mit mehreren übereinander gestapelten Platten (2), die abwechselnd jeweils einen ersten und einen zweiten Durchflussraum (3) für ein erstes bzw. zweites Medium aufspannen, wobei jede Platte (2) einen umlaufenden Rand (4) aufweist und im Wesentlichen wannenförmig gestaltet ist und wobei zwei benachbarte Platten (2) jeweils über die umlaufenden Ränder (4) miteinander verbunden sind, und wobei eine Endplatte (7) fest mit zumindest einer benachbarten Platte (2) an zumindest einem Ende des Stapels (5) fest mit einer Endplatte (7) verbunden ist, wobei der umlaufende Rand (4) der benachbarten Platte (2) an einer parallel zu diesem Rand (4) ausgebildeten Wandfläche (19) der Endplatte (7) abgestützt und mit dieser Wandfläche (19) fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) aus einer Aluminiumlegierung besteht, wobei vorzugsweise die Wandfläche (19) zwischen zwei im wesentlichen ebenen, parallelen Oberflächen (7', 7") der Endplatte (7) ausgebildet ist.
2. 2. Plattenwärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wandfläche (19) durch eine innere Mantelfläche (16) einer im wesentlichen wannenartige Aufnahme (17) der Endplatte (7) für die benachbarte Platte (2) gebildet ist.
3. 3. Plattenwärmetauscher (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (17) zumindest teilweise durch eine eingeformte Vertiefung (8) in der Endplatte (7) gebildet ist.
4. 4. Plattenwärmetauscher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) aus einem im wesentlichen ebenen Plattenteil (7a) und einem mit dem Plattenteil (7a) vorzugsweise untrennbar verbundenen Rahmenteil (7b) besteht, wobei vorzugsweise die Aufnahme (17) zumindest teilweise durch den Rahmenteil (7b) gebildet ist.
5. 5. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der Aufnahme (17) im Wesentlichen zumindest der Höhe (h) des Randes (4) der Platte (2) entspricht.
6. 6. Plattenwärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandfläche (19) durch eine äußere Mantelfläche (18) der Endplatte (7) gebildet ist. ·· ·· ···· · · ·· • » · » · #♦ ♦ · ···· · · · « ··« • · · · · ·«···* · • · · · · · ··· «·0 · · · ··· · ·« - ö "
7. 7. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarte Platte (2) die Endplatte (7) zumindest überwiegend mit der der Endplatte (7) zugewandten Fläche (2a) kontaktiert.
8. 8. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) mit der benachbarten Platte (2), vorzugsweise vollflächig, verlötet ist.
9. 9. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der benachbarten Platte (2) und der Endplatte (7) eine vorzugsweise mit der Endplatte (7) verlötete Turbulenzeinlage (10) angeordnet ist.
10. 10. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) zumindest eine mitgegossene Öffnung (9) und/oder zumindest einen mitgegossenen Anschlussstutzen (21) für den Zu- oder Ablauf des ersten - oder zweiten Mediums aufweist.
11. 11. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) in einem Aluminium-Gussverfahren, vorzugsweise im Thixogussverfahren oder im Vacural-Druckgießver-fahren, hergestellt ist.
12. 12. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) eine Montageplatte (12) des Plattenwärmetauschers (1) ausbildet.
13. 13. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) eine Deckplatte (13) des Plattenwärmetauschers (1) ausbildet.
14. 14. Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (7) zumindest teilweise Aussparungen zur Gewichtsreduzierung, vorzugsweise eine Wabenstruktur (20) aufweist. 2009 07 16 Fu/Dh Patentanwalt Dipl.-Ing. Mag. Michael Babeluk A-1150 Wien, Mariahilfer Gürtel 39/17 Tel.: (+431) 892 39 33-0 Fax: {+43 1) 892 89 333 roHMl·