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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager wie er insbesondere
bei Fahrzeugen als Ölkühler Verwendung
findet sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Es
sind so genannte Plattenwärmeübertrager
bekannt, die aus einem Stapel nebeneinander liegender Platten gebildet
sind. Zwischen den Platten sind Hohlräume ausgebildet, die wechselweise
mit einem ersten bzw. einem zweiten Medium durchströmt werden.
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Neben
der Verwendung als Kühler,
wobei dann beispielsweise das erste Medium Kühlwasser und das zweite Medium
das zu kühlende
Arbeitsmedium – im
Falle eines Ölkühlers einer
Brennkraftmaschine das Motoröl – ist, ist
auch eine Verwendung als Verdampfer einer Kühleinrichtung wie einer Fahrzeugklimaanlage
denkbar, wobei dann eines der beiden Medien das Kühlmittel
und das andere das Kältemittel
ist.
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Dabei
ist es bekannt, dass die Platten profiliert sind, so dass zwischen
den Platten Berührungsstellen
auftreten. Im Bereich der Berührungsstellen werden
die Platten aneinander befestigt. Darüber hinaus liegen die Platten
außenseitig
dichtend aneinander an, damit das Kühlmedium bzw. das Arbeitsmedium
ausschließlich
den Hohlraum durchströmt. Erstes
und zweites Medium werden dabei jeweils durch eine entsprechende
Zuflussleitung zuge führt und über eine
Abflussleitung weggeführt.
Dabei dienen Zuflussleitungen und Abflussleitungen jeweils als Sammelleitungen,
in denen der Fluidstrom aller entsprechenden Hohlräume zu – bzw. abgeführt wird.
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Üblicherweise
werden bei Plattenwärmeübertragern
turbulenzsteigernde Einbauten zur Verbesserung des Wärmeübergangs
und zur Oberflächenvergrößerung in
die Fluidkanäle
eingebracht und fest mit der Wärmeübertragenden
Platte verbunden. Hierdurch wird neben der thermodynamischen Eigenschaft
des Kanals die Festigkeitseigenschaft des Kühlers stark verbessert.
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Ein
Nachteil solcher Turbulenzplatten ist, dass bei der Herstellung
der Durchtrittsöffnungen leicht
Spanbildung auftritt, die zur Verunreinigung des durchströmenden Mediums
führen
kann. Darüber
hinaus lagern sich Verschmutzungen leicht im Bereich der Turbulenzplatten
an. Hierdurch kann das Durchströmen
des Hohlraums in unerwünschter
Weise behindert werden. Darüber
hinaus stellen sie ein zusätzlich
herzustellendes Bauteil dar, das durch erhöhte Herstellungskosten sowie
Materialkosten eine Verteuerung des Wärmeübertragers nach sich zieht.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager bereitzustellen,
der Nachteile bekannter Wärmeübertrager
nicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Plattenwärmeübertrager gemäß der Erfindung
gelöst,
welcher in besonders günstiger
Weise durch ein erfindungsgemäßes Verfahren
herstellbar ist.
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Einen
Wärmeübertrager,
wie er insbesondere als Ölkühler im
Bereich von Kraftfahrzeugen Verwendung findet, wird aus miteinander
verbundenen Platten gebildet. Zwischen den Platten sind nach außen hin
abgeschlossene Hohlräume
ausgebildet. Die Hohlräume
sind dabei alternierend über
jeweils zumindest eine Zu- und Abflussleitung mit erstem bzw. zweitem
Medium versorgt und werden auch von dem entsprechenden Medium durchströmt. Dabei
sind die Platten derart profiliert, dass zwischen den jeweiligen Profilen
der Platten Berührungsstellen
auftreten. Im Bereich dieser Berührungsstellen
sind die Platten miteinander verbunden. Dabei sind die Platten so ausgestaltet,
dass sich die zwischen den Platten ausbildende Strömung von
erstem bzw. zweitem Medium von der entsprechenden Zuflussleitung
zur entsprechenden Abflussleitung nicht geradlinig verläuft.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass das durchströmende Medium auf seinem Strömungspfad teilweise
mehrfach umgelenkt wird. Hierdurch wird die Verteilung der Fluide über die
Plattenbreite verbessert. In Abhängigkeit
von dem Strömungsverhalten
(Viskosität)
des durchströmenden
Mediums treten unter Umständen
auch turbulente Strömungen auf.
Die sich immer wieder einstellenden Richtungsänderungen des Fluids im Kanal
und sich im Bereich des sich öffnenden
Wellenkanals unter Umständen ausbildende
Wirbel reißen
die sich bildende Grenzschicht immer wieder auf. Dies führt zu einem
verbesserten Wärmeübergang.
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Gemäß bevorzugter
Ausgestaltung der Erfindung weisen die Platten ein sich wiederholendes Wellenprofil
auf, das dann zumindest in einer Richtung quer zur Durchflussrichtung,
welche die gerade Verbindung von Eintrittsstelle des Mediums zur
Austrittsstelle ist, verläuft.
Um diese Richtung herum verläuft
das Wellenprofil zickzackförmig.
Ein solches Wellenprofil bildet in einfacher Weise Strömungsleitbereiche,
die geeignet sind, die Strömung
des den entsprechenden Hohlraum durchströmenden Mediums zu leiten. Die
Strömung
wird in ihrem Verlauf dadurch in vorteilhafter Weise mehrfach umgelenkt,
und zwar insbesondere nicht nur in der Plattenebene, sondern auch
aus der Plattenebene heraus. In Bereichen, in denen der Abstand
der Platten zueinander unterschiedlich groß gestaltet ist, variiert unter
Umständen
die Strömungsgeschwindigkeit.
Gleichzeitig wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das Medium insgesamt über die
gesamte Fläche
der Platten verteilt wird und so ein möglichst optimiertes Ausnutzen der
gesamten Wärmeaustauschfläche erfolgt.
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Gemäß weiterführender
Ausgestaltung weist das Wellenprofil zwischen Strömungsbereichen
geradlinig verlaufende Schenkel auf, wobei der Verlauf des Wellenprofils
durch die Schenkellänge
der Schenkel, den zwischen den Schenkeln gegebenen Schenkelwinkel
und die Profiltiefe des Wellenprofils charakterisiert ist. Das Profil
eines Wellenprofils wird in seinem Querschnitt durch den Verlauf
im Bereich der Schenkel sowie im Krümmungsbereich festgelegt, wobei
bevorzugte Ausgestaltungen eine Abweichung der Querschnittsform
in diesen Bereichen vorsehen können.
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Das
zickzackförmig
verlaufende Wellenprofil wird dabei insbesondere durch die Schenkellänge, den
Schenkelwinkel zwischen benachbarten Schenkeln sowie die Profiltiefe
charakterisiert. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sehen
vor, dass die Schenkellänge
im Bereich von 8 bis 15 mm, vorzugsweise im Bereich von 9 bis 12
mm liegt. Typische Werte der Profiltiefe – die sich beispielsweise aus dem
Abstand zwischen einem Wellenkamm und der Plattenmittelebene bemisst – liegen
im Bereich von 0,3 bis 1,5 mm. Für
viele Anwendungen kann eine Profiltiefe zwischen 0,5 und 1 mm vorteilhaft
sein, wobei Werte von ungefähr
0,75 mm bevorzugt sein können.
Der Schenkelwinkel zwischen zwei Schenkeln des Wellenprofils beträgt vorzugsweise
zwischen 45° und
135°. Insbesondere
Werte um 90° stellen
einen guten Kompromiss hinsichtlich Verteilung des Fluids, Durchströmgeschwindigkeit
und Durchflussleistung des Wärmeübertragers
dar.
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Die
Schenkellänge
und der Schenkelwinkel beeinflussenen zum einen die Strömungsleitfunktion des
Wellenprofils, zum anderen aber auch die Anordnung von Berührungsstellen
benachbarter Platten aneinander, welche für die Stabilität des Wärmeübertragers
erforderlich sind. Die Eigensteifigkeit der Platten gegenüber einer
Druekbeaufschlagung durch die Medien kann ohne die gegenseitige
Abstützung
nicht gewährleistet
sein, wenn die Materialstärke
der Platte gering gewählt
wird, wie dies bei vielen Anwendungen aus Gründen der Gewichtsersparnis
sowie des Wärmeaustausches
erwünscht
ist.
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Dabei
erfolgt in bevorzugter Ausgestaltung ein Verbinden der Platten im
Bereich der Berührungsstellen
durch Hartlöten,
wozu die Platten zumindest einseitig mit einem Löthilfsmittel wie Lötmittel
beschichtet sind. Die Auswahl von Schenkellänge und Schenkelwinkel erfolgt
vorzugsweise in Abhängigkeit des
durchströmenden
Mediums und dessen Viskosität.
Schenkellänge
und Schenkelwinkel haben einen großen Einfluss auf die auftretenden
Strömungsgeschwindigkeiten
und den damit verbundenen Wärmeaustausch,
so dass diese an den jeweiligen Verwendungszweck anpassbar sind.
Die vorstehend genannten Werte beziehen sich dabei insbesondere
auf die Verwendung von Wärmeübertragern
als Ölkühler bei
Fahrzeugen, wo der Wärmeaustausch
zwischen Motoröl
und Kühlwasser
erfolgt. Darüber
hinaus sind sie natürlich
auch von der Dimensionierung der Platten und des sich aus dem Abstand
der Platten ergebenden Zwischenraums abhängig.
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Die
Gestalt des Wellenprofils wird im wesentlichen durch die Form des
Querschnitts senkrecht zur Außenkante
des Profils in diesem Bereich sowie die durch die Teilung festgelegte
Abfolge der Profile aufeinander im Verlauf Quer zur Erstreckungsrichtung eines
Wellenprofils über
die Platte hinweg festgelegt. Bevorzugte Ausgestaltungen sehen eine
konstante Teilung, also einen festen Abstand zweier beliebiger zueinander
benachbarter Wellenprofile vor. Die Gestalt des Wellenprofils ist
insbesondere dann Vorteilhaft, wenn sie auf der Außenseite
des Wellenrückens einen
Flachbereich aufweist. Der Flachbereich weißt dabei insbesondere eine
Breite von 0,1 bis 0,4 mm auf. Der Flachbereich ermöglicht eine
gute, flächige Anlage
zueinander benachbarter Platten aneinander und damit eine leichte
und stabile Herstellung der Abstützung
bzw. Verbindung – wie
durch Hartlöten – benachbarter
Platten miteinander.
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Bei
dem Material der Platten handelt es sich vorzugsweise um Aluminium.
Dieses Material hat den Vorteil, eine niedere Dichte aufzuweisen
und gleichzeitig das Erzeugen des Wellenprofils beispielsweise durch
Prägen
in einfacher Weise zu ermöglichen.
Es kann zur Herstellung der Verbindung zweier benachbarter Platten
im Bereich der Berührungsstellen
sowie im Bereich der Ränder
auf zumindest einer Seite vollflächig
mit Löthilfsmittel
wie Hartlot beschichtet sein. Je nach Auswahl des Löthilfsmittels
sowie der Schichtdicke des Auftrags des Löthilfsmittels kann auch eine
beidseitige Beschichtung mit Löthilfsmittel
gegeben sein. Die Beschichtung mit Löthilfsmittel soll insbesondere
im Bereich der Ränder
und der Zu- und Abflussleitungen im Block dem zuverlässigen Herstellen
einer fluiddichten Verbindung zweier Platten miteinander in einem
Fügevorgang
mit einem Fügewerkzeug
(Hartlötofen)
ohne Benutzen weiterer Hilfsmittel bzw. Hilfsstoffe dienen.
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In
weiterführender
Ausgestaltung kann vorgesehen seien, dass die Platten Bohrungen
aufweisen, die im Bereich des Wärmeübertragers
als Zuflussleitungen und Abflussleitungen dienen und deren Bohrungsachse
senkrecht zur Plattenebene verläuft.
Dabei sind die Bohrungen insbesondere in einem gegenüber der
Grundebene der Platten erhabenen Bereich eingebracht. Der erhabene
Bereich ist dabei vorzugsweise so erhaben, dass sich in jedem zweiten
Plattenzwischenraum eine dichte Verbindung zwischen dem erhabenen
Bereich und darauf folgender weiterer Platte ergibt, sodass nur
bei jedem zweiten Plattenzwischenraum eine fluidische Verbindung
zwischen den Bohrungen und dem Plattenzwischenraum entsteht. Durch
diese Maßnahme
wird ohne das Verwenden von Leitungen eine Fluidzufuhr und – abfuhr
aus den Plattenzwischenräumen
ermöglicht,
so dass diese alternierend entweder mit Kühlmedium bzw. mit Arbeitsmedium
durchströmt werden.
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Dabei
kann die fluiddichte Anlage zwischen einem erhöhten Bereich und einer benachbarten Platte
nicht nur durch Formschluss sondern auch durch andere Verbindungstechnik,
wie dem Hartlöten erreicht
werden. Hierzu weist der erhabene Bereich insbesondere einen vorzugsweise
flächigen
Anlageabschnitt auf, der mit einem vorzugsweise flächigen Anlagerand
der benachbarten Platte, zu der sich eine fluiddichte Verbindung
ergibt, in Anlage befindet.
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Der
erhabene Bereich sowie die Bohrungen im erhabenen Bereich können dabei
nicht nur einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, vielmehr sind auch
ovale oder langlochartige Gestaltungen möglich und vorteilhaft. Dabei
ist die längere
der beiden Achsen der langlochartigen Gestaltung vorzugsweise quer
zur Hauptfließrichtung
des Fluids anzuordnen. Auch diese Maßnahme dient der Verbesserung
des Wärmeaustauschs
zwischen den beiden Medien, da dann bei gleicher Gesamtausdehnung
der Platten eine größere Wärmeübertragungsfläche verbleibt.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
dass im Bereich der Zuflussleitungen und der den Zuflussleitungen
zugeordneten Bohrungen Verteilerkanäle vorgesehen sind, welche
vorzugsweise ebenfalls als Wellenprofil ausgebildet sind. Es entspricht
besonders bevorzugter weiterführender
Ausgestaltungen der Erfindung, wenn das Wellenprofil der Verteilerkanäle sieh
von den übrigen
Wellenprofilen hinsichtlich der charakteristischen Größen des
Wellenprofils unterscheidet. Das Wellenprofil der Verteilerkanäle weist dabei
insbesondere einen Schenkelwinkel aus, der geringer als 45° beträgt und insbesondere
im Bereich von ungefähr
5° und ungefähr 25° liegt. Es
kann sowohl ein schlagartiger als auch ein kontinuierlicher Übergang
in der Profilgestaltung zwischen dem Verteilerprofil und dem Wellenprofil
in übrigen
Plattenbereichen ausgebildet sein. Die Verteilerkanäle übernehmen
dabei die Aufgabe eines möglichst
gleichmäßigen Verteilens
des Fluidstroms über
die gesamte Breite der Platte hinweg. Dies verbessert die Effizienz
des Wärmeübertragers,
da in diesem Fall eine größere Wärmeaustauschfläche tatsächlich auch zum
Austausch genutzt wird. Auch können
zur Verbesserung der Verteilung des Mediums über die gesamte Fläche des
Wärmeübertragers
hinweg Umströmungskanäle die erhabenen
Bereiche umgeben. Die Umströmungskanäle werden
dabei vorzugsweise durch einen wellenprofilfreien Abschnitt gebildet, der
insbesondere ringartig um den erhabenen Bereich herumgeführt ist.
Es wird so ein Abschnitt verringerten Strömungswiderstandes gebildet,
in den mehrere Wellenprofile einmünden, so dass auch hierdurch
eine Verteilfunktion für
das Medium erfüllt wird.
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Es
entspricht einer besonders einfach und kostengünstig herzustellenden Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
wenn dieser aus einer Abfolge von Platten hergestellt ist. Dabei
können
die Platten auf ihren beiden Seiten hinsichtlich ihrer Wellenprofile
voneinander verschiedene Profile aufweisen. Ein Wärmeübertrager
kann insbesondere aus einem Stapel von solchen untereinander identisch
ausgestalteten Platten gebildet sein. Denn es ist hierbei insbesondere
möglich,
dass zueinander benachbarte Platten um 180 Grad zueinander verdreht
sind, wobei sich die Drehachse senkrecht zur Plattenebene erstreckt.
Diese Art des Stapels von Platten ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn
die den Zuflussleitungen zugeordneten Bohrungen aus erhabenen Stellen
ausgebildet sind und diese alternierend zwei unterschiedlichen Leitungsführungen
zugeordnet sein sollen. Dabei können
die Erhebungen im Bereich der Zuflussleitungen insbesondere als
im Wesentlichen kegelstumpfförmiger Dom
ausgebildet sein. Alternativ hierzu sind domförmige Erhebungen, welche einen
elliptischen Querschnitt aufweisen.
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Die
Platten können
dabei sowohl untereinander identisch einander entsprechend oder ähnlich oder
unterschiedlich gestaltet sein. Untereinander identische Platten
weisen das hinsichtlich der charakteristischen Eigenschaften des
Wellenprofils sowie der Gestalt des Wellenprofils identische Eigen schaften
auf. Einander entsprechende Platten sind im Aufbau einander gleich,
jedoch ist es möglich, dass
die Platten beispielsweise voneinander verschiedene Schenkelwinkel
aufweisen. Einander entsprechende Platten weisen vorzugsweise eine
voneinander unterschiedliche Gestalt des Wellenprofils und/oder
voneinander verschiedene Werte charakterisierender Größen auf,
sind jedoch hinsichtlich der Ausbildung des Randes sowie von Ausbildung
von Vorder- und Rückseite
der Platten einander entsprechend. Die alternierende Verwendung
beispielsweise zweier einander entsprechender Platten, die sich
lediglich durch unterschiedliche Schenkelwinkel in den charakteristischen
Größen unterscheiden,
hat den Vorteil, dass die Position und relative Lage von Berührungsstellen
der Platten aneinander im profilierten Bereich im Hinblick auf die
erforderliche Steifigkeit und die erforderliche Durchströmung in
einfacher Weise optimierbar sind.
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Die
Verbindung zwischen den Platten ist insbesondere durch Hartlöten hergestellt.
Um im Bereich des Randes der Platten eine gute Dichtwirkung und
gleichzeitig einen stabilen Aufbau des Wärmeübertragers zu erreichen, kann
es vorgesehen sein, dass die Platten einen abgekröpften Rand
aufweisen dessen Höhe
so gewählt
ist, dass wenigstens zwei zueinander benachbarte Platten in diesem
Randbereich aneinander anliegen und sich überlappen. Die Anzahl der sich
im Randbereich überlappenden
Platten kann dabei bis zu fünf
betragen. Je größer die
Anzahl der sich überlappenden
Platten ist, desto steifer ist die hierdurch gebildete und nach
außen
hin den Wärmeübertrager
abschließende
Wandung. Dies unterstützt
gleichzeitig die Herstellung eines dauerhaft stabilen, widerstandsfähigen, fluiddichten
Abschlusses der Platten nach außen
hin. Bevorzugte weiterführende
Ausgestaltungen sehen dabei vor, dass das Wellenprofil sich bis
in den Rand hinein und insbesondere über dessen gesamte Breite hinweg
erstreckt. Dabei ist bei der Gestaltung des Wellenprofils darauf
zu achten, dass die Platten dennoch stapelbar bleiben, was dadurch
geschieht, dass der Verlauf des Wellenpro fils im Randbereich auf
die Montagelage zweier benachbarter Platten zueinander abgestimmt wird.
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Das
Wellenprofil erstreckt sich bis in den Rand hinein, wenn im Wurzelbereich
der Abkröpfung das
Wellenprofil endet, so dass das Profil mit seiner Profiltiefe sich
in den Rand hinein erstreckt. Insbesondere aus Gründen der
Produktionstechnik kann es vorteilhaft sein, wenn die Wurzel des
Randes in einem wellenprofilfreien Bereich liegt, da dann das Biegen
des Randes in einem nicht durch Profil versteiften Bereich erfolgen
kann. Bevorzugte Ausgestaltungen sehen dann vor, dass sich die sich
zwischen Rand und Wellenprofilbereich ausbildende Rinne möglichst
schmal ist. Sie wird insbesondere so schmal gewählt, dass beim Hartlöten ein
Lotfluss eintritt, der diese Rinne vollständig oder wenigstens so weit
zusetzt, dass nur eine vernachlässigbare
Menge von Medium durch die Rinne durchströmt. Die Rinne muss so gestaltet
sein, dass sie nicht als Bypasskanal für das Medium dient und ein
wesentlicher Medienanteil durch die Rinne strömt statt im Bereich des Wellenprofils.
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Zum
Verbessern der Stabilität
des Wärmeübertragers
nach außen
hin sowie zum Vereinfachen des Anschlusses der externen Zuflussleitungen
und externen Abflussleitungen von Kühlmittel und Arbeitsmedium
kann es vorgesehen sein, dass an wenigstens einer der Stirnseiten
des Wärmeübertragers eine
außenseitig
profillose Abschlussplatte angeordnet wird. Die außenseitig
profillose Abschlussplatte weist dabei insbesondere. Flansche als
Anschlussstellen auf. Die Abschlussplatten können insbesondere auch eine
größere Materialstärke als
die anderen Platten aufweisen und somit ein insbesondere versteifendes,
stabilisierendes Element darstellen, das ein die Stirnseiten nach
außen
abschließendes Gehäuseteil
bildet. Die seitlichen Gehäusewandungen,
die den Wärmeübertrager
nach Außen
hin abschliessen, werden über
den Rand gebildet, der die Platten begrenzt und der sich mit dem
Rand benachbarter Platten überlappt.
Die Ränder
sind dabei fluiddicht miteinander verbunden, was insbesondere durch
Hartlöten
erfolgen kann.
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Eine
Möglichkeit,
die Durchströmbarkeit
eines Stapels von Platten zu charakterisieren liegt in der Bestimmung
des hydraulischen Durchmessers zwischen zwei benachbarten Platten
entlang der Hauptstömungsrichtung
des Mediums. Der hydraulische Durchmesser stellt dabei ein Verhältnis zwischen
dem durchströmbaren
Kanalquerschnitt und Wärmeaustauschfläche dar.
Der hydraulische Durchmesser hD ist dabei als das Vierfache des
Verhältnisses
aus Flächenverhältnis Fv
zu Flächendichte
Fd definiert. Das Flächenverhältnis Fv
bestimmt sich als das Verhältnis
von freiem Kanalquerschnitt fK zu Gesamtstirnfläche S des Kanals zwischen zwei
benachbarten Platten, die Flächendichte
Fd aus dem Verhältnis
zwischen wärmeübertragender
Fläche
wF zu Blockvolumen V. Es gilt also:
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Der
hydraulische Durchmesser sollte dabei gemäß bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung über
die gesamte Hauptströmungsrichtung
des Mediums hinweg möglichst
konstant bleiben. Hierdurch wird eine unter Umständen verbesserte und gegebenenfalls
eine gleichmäßige Durchströmbarkeit
des Plattenzwischenraumes, der den Kanal bildet, erzielt.
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Der
hydraulische Durchmesser liegt gemäß bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung und insbesondere bei der Verwendung des Wärmeübertragers als Ölkühler zwischen
1,1 mm und 2 mm. Bevorzugte Werte für den hydraulischen Durchmesser
liegen um 1,4 mm. Dabei sollte die Abweichung des hydraulischen
Durchmessers über
die Periode der Profilierung eines Plattenpaares hinweg vorzugsweise
nicht mehr als um 10%, insbesondere um weniger als 5% schwanken.
Selbstverständlich
ist die Auswahl des hydraulischen Durchmessers auch von den in den Zwischenräumen zwischen
den Platten strömenden Medien
abhängig.
Die genannten Werte gelten für
einen Ölkühler, bei
dem zum einen Wasser und zum anderen ein Öl den Wärmeübertrager durchströmt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
sind die Berührungsstellen
zwischen zwei zueinander benachbarten Platten des Wärmeübertragers
gleichmäßig über die
Plattenfläche
verteilt. Bevorzugt weisen die Berührungsstellen zwischen zwei
zueinander benachbarten Platten eine Flächendichte von 4 bis 7 pro
cm2, besonders bevorzugt von 5 bis 6 pro
cm2 auf. Bei einer solchen Ausgestaltung
ist eine ausreichende Festigkeit des Wärmeübertragers ohne übermäßige Erhöhung des
Druckverlustes möglich.
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Wärmeübertrager
gemäß der Erfindung
können
einerseits als Ölkühler, aber
auch als Verdampfer oder Kondensatoren dienen. Dabei kann der Kältekreislauf
einer solchen Einrichtung nicht nur zum Klimatisieren eines (Fahrzeug-)Innenraumes
dienen, sondern auch zum Kühlen
von Wärmequellen,
wie elektrischen Verbrauchern, Energiespeichern und Spannungsquellen
oder von Ladeluft eines Turboladers. Der Wärmeübertrager ist ein Kondensator, wenn
beispielsweise durch Kondensation des Kältemittels einer Klimaanlage
in einem kühlmittelbeaufschlagten
kompakten Wärmeüberträger erfolgt
und das Kühlmittel
die Wärme
in einem Wärmeübertrager an
Luft als weiteres Medium abgibt. Das Verdampfen bzw. Kondensieren
eines anderen Mediums in einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann beispielsweise
auch in Anwendungen bei Brennstoffzellensystemen erfolgen.
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Bei
all diesen Anwendungen als Kondensator oder Verdampfer ist der Einsatz
eines leistungsstarken kompakten Wärmeübertragers wünschenswert, in
dem ein Kühlmittel
als zweites Medium die Wärme
abgibt oder aufnimmt. Hierbei können
aufgrund sehr hoher Innenreinheitsanforderungen auf der Kältemittelseite
keine gestanzten Turbulenzeinlagen eingesetzt werden, durch die
Aluminiumpartikel in den Kältemittelkreislauf
eingetragen werden. Neben diesen Reinheitsanforderungen ist ebenfalls
eine optimale Verteilung des Fluides am Eintritt notwendig, das
anschließend
im Wärmeübertrager
verdampft oder kondensiert. Idealerweise wird das Fluid, das bei
der Verdampfung am Eintritt vorwiegend in flüssiger Form und bei der Kondensation
in dampfförmiger
Form vorliegt, über
die gesamte Scheibenbreite verteilt. Eine Besonderheit der Verdampfung
und Kondensation ist die oft vorhandene geringe Temperaturdifferenz
zwischen beiden Fluiden. Bei einer nicht optimalen Querverteilung
des zu verdampfenden flüssigen
Fluides oder des zu kondensierenden dampfförmigen Fluides können schnell
hohe Leistungseinbußen
auftreten. Erfindungsgemäße Wärmeübertrager
bieten Lösungen
zu diesen Problemen an.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Wärmeübertragers,
insbesondere eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
sieht vor, dass das Wellenprofil durch Prägen der Platten erzeugt wird,
anschließend
ein entsprechend ausgerichtetes Stapeln der Platten und danach ein
Verbinden durch Hartlöten
erfolgt. Gemäß bevorzugter
Ausgestaltung erfolgt das Stapeln der Platten aufeinander so, dass
jeweils zwei zueinander benachbarte Platten um 180 Grad verdreht
angeordnet sind. Das Verbinden der Platten durch Hartlöten erfolgt
dabei insbesondere so, dass die Platten an ihrem Rand dichtend miteinander
verbunden sind und insbesondere gleichzeitig ein Verbinden benachbarter
Platten an den Berührungsstellen
von Profilen erfolgt. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter
Ausgestaltung ein stabiles und verwindungssteifes Element hergestellt.
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Im Übrigen ist
die Erfindung nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigt:
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1a, 1b:
die Vorderseite und Rückseite
einer erfindungsgemäßen Platte;
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2:
die Ansicht eines Stapels von solchen Platten;
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3:
eine Schnittdarstellung mehrfacher aufeinander gestapelter Platten
im Bereich des Randes;
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4:
in vergrößerter Darstellung
die Ausbildung der Verteilerkanäle
im Bereich der Bohrungen;
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5:
eine schematische Darstellung einer Abschlussplatte mit Anschlussflaschen;
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6:
die Fluidführung
durch die Platten, wenn bei einem der Fluide ein Durchströmen aller Plattenzwischenräume vorliegt;
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7a–7d:
die Auswirkungen der Gravitation auf die Flüsssigkeitsverteilung;
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8 den
hydraulischen Durchmesser über eine
Periode des Wellenprofils in Hauptströmungsrichtung des Mediums im
Zwischenraum zweier Platten;
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8a eine
Aufsicht auf eine Platte eines Wärmeübertragers;
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8b den
hydraulischen Durchmesser in Hauptströmungsrichtung des Mediums im
Zwischenraum zweier Platten;
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8c eine
Auftragung der Festigkeit und des Druckverlustes eines Wärmeübertragers über der
Dichte der Berührungsstellen
zwischen zwei Platten;
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9 einen
Ausschnitt aus einer Wärmeübertragerplatte;
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10 eine
Platte eines Wärmeübertragers;
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11a, b jeweils einen ausschnittsweisen Querschnitt
eines Wärmeübertragers;
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12a, b jeweils einen ausschnittsweisen Querschnitt
eines Wärmeübertragers.
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Die 1a und 1b zeigen
die Darstellung einer Vorderseite bzw. einer Rückseite einer erfindungsgemäßen Platte,
während
die 2 die Darstellung eines entsprechenden, aus Platten
gemäß der 1a und 1b gebildeten
Stapels zeigt.
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Eine
Platte 10 weist einen Grundkörper 11 auf, welcher
an seiner Vorder- und
Rückseite
jeweils mit einem Wellenprofil 12 versehen ist, welches durch
Prägen
in den Grundkörper 11 eingebracht worden
ist. Bei der in den 1a und 1b dargestellten
Ausführungsform
entspricht das Wellenprofil 12 der Rückseite gemäß der 1b dem
negativen Profil der Vorderseite gemäß der Darstellung in 1a .
Dabei wird das Wellenprofil 12 aus mehreren zueinander
in einem Schenkelwinkel 13 stehenden Schenkeln 10 gebildet,
die jeweils eine feste Schenkellänge 15 aufweisen
und dem Krümmungsbereich 16 aneinander
anschließen.
Das Wellenprofil erstreckt sich quer über die Platte 10 hinweg. Über die
Länge der
Platte 10 hinweg ist eine Vielzahl von Wellenprofilen 12 hintereinander
ausgebildet, wobei die Wellenprofile insbesondere in dichtem Abstand aufeinander
folgen und fluchtend zueinan der ausgerichtet sind. In die Platte 10 weist
dabei einen umlaufenden abgekröpften
Rand 17 auf, welcher die Platte lateral begrenzt. Dabei
verläuft
das Wellenprofil 12 bis in den Rand hinein.
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Das
Wellenprofil 12 kann dabei durch Prägen in die Platte 10 eingebracht
werden. Das Prägen kann
dabei so durchgeführt
werden, dass die beiden Seiten in der Platte 10 voneinander
abweichende Wellenprofile aufweisen, insbesondere kann das Wellenprofil 12 auf
einer Seite das Negativ des Wellenprofils 12 der anderen
Seiten darstellen, wie dies beispielsweise aus dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1a und 1b ersichtlich
ist. Es ist auch möglich,
dass eine Platte 10 auf beiden Seiten das gleiche Wellenprofil 12 aufweist.
Beides Mal können die
Wellenprofile auf den beiden Seiten einer Platte 10 fluchtend
zu einander oder versetzt zu einander ausgebildet sein. Das Wellenprofil 12 wird
im Querschnitt vor allem dadurch charakterisiert, dass es einen
Wellenrücken
aufweist, der einen Flachbereich bildet, welcher parallel zur Plattenebene
verläuft.
Der Flachbereich hat dabei vorzugsweise eine Breite zwischen 0,1mm
und 0,4mm.
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Im
Bereich der Ecken weist die Platte eine Bohrung 18 auf,
welche die Platte senkrecht zu ihrer Verlaufsebene durchsetzt. Zwei
der Bohrungen sind dabei in einem erhabenen Bereich 19 eingebracht. Eine
der Bohrungen dient dabei der Zufuhr von Arbeitsmedium in den Bereich
zwischen zwei Platten, während
insbesondere die diametral gegenüberliegende
Bohrung dem Abfluss von Arbeitsmedium dient. Ein anderes Bohrungspaar
dient dem Zu- und Abfluss von Kühlmedium.
Werden Platten 10 wie in der 2 dargestellt
aufeinander gestapelt, so sind jeweils alternierend entweder die
dem Arbeitsmedium oder Kühlmedium
zugeordneten Leitungen fluidisch mit dem Zwischenraum 20 zwischen
zwei Platten 10 verbunden, da der erhabene Bereich 19 entsprechender
Bohrungen 18 an der benachbarten Platte 10 anliegt.
Die Bohrungen 18 bilden somit durch einen Stapel 21 von
Platten hindurch die Zufuhrleitungen beziehungsweise Abflussleitungen
für Kühlmedi um
und Arbeitsmedium. Die 2 zeigt in perspektivischer
Darstellung einen solchen Stapel 21 von Platten 10 gemäß der 1a und 1b
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In
der 3 ist die Schnittdarstellung durch einen Stapel 21 gemäß der 2 gezeigt.
Platten 10 liegen aneinander an und sind übereinander
gestapelt. Der abgekröpfte
Rand 17 benachbarter Platten liegt aneinander an und ist
so ausgebildet, dass sich der Rand mehrerer Platten jeweils überlappt.
Um eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Rand 17 zweier
benachbarter Platten zu erreichen, sind diese durch Hartlöten miteinander
verbunden. Darüber
hinaus liegen zwei zueinander benachbarte Platten in unterschiedlichen
Bereichen ihrer Wellenprofile 12 aneinander an. Auch in
diesen Bereichen sind die Platten durch Hartlöten miteinander verbunden.
Zum Herstellen der Lötverbindungen
können
die Platten einseitig oder beidseitig mit einem Lot beschichtet sein.
Zwischen zwei zueinander benachbarte Platten 10 ist jeweils
ein Zwischenraum 20 ausgebildet, wobei der Zwischenraum
entweder von Arbeitsmedium oder von Kühlmedium durchströmt wird.
Der Stapel von Platten ist dabei insbesondere so ausgebildet, in das
die Zwischenräume 20 alternierend
von Arbeitsmedium und Kühlmedium
durchströmt
werden, sodass jede der Platten 10 einerseits von Kühlmedium und
andererseits von Arbeitsmedium umströmt wird. Somit kann ein Wärmeaustausch
zwischen Kühlmedium
und Arbeitsmedium über
jede der Platten 10 hinweg erfolgen.
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Dadurch,
dass die Platten ein Wellenprofil aufweisen, ist an einer Vielzahl
von Stellen der Zwischenraum 20 von unterschiedlicher lichter
Weite. Die sich immer wieder einstellenden Richtungsänderungen
des Fluids im Kanal und die sich im Bereich des sich öffnenden
Wellenkanals ausbildenden Wirbel reißen die sich bildende Grenzschicht
immer wieder auf. Dies führt
zu einem, verglichen mit einem glatten Kanal, stark verbesserten
Wärmeübergang.
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Dies
fördert
den anderen Austausch zwischen den beiden Medien über eine
Platte 10 hinweg. Zusätzlich
wird durch die Ausgestaltung der Platten 10 erreicht, dass
keine lineare, geradlinige Strömung
von der Zufuhrleitung zur Abflussleitung möglich ist. In Abhängigkeit
von der Viskosität
des Mediums kann eine solche Gestaltung des Zwischenraums 20 auch
dazu führen,
dass ganz oder teilweise turbulente Strömungen auftreten und somit einer
verbesserter Wärmeaustausch
zwischen Arbeitsmedium und Kühlmedium
erzielt wird. Darüber hinaus
wird durch den Verlauf des Wellenprofils 12 quer zur Erstreckung
der Platte 10 das entsprechende Medium auch über die
gesamte Breite der Platte 10 hinweg geleitet, so dass das
Ausnutzen der Wärmeaustauschfläche, die
eine Platte 10 bietet verbesserter wird, wodurch die Effizienz
eines solchen Wärmeübertragers
weiter erhöht
wird. Ein wesentliches Leitelement für die Strömungsführung ist auch darin zusehen,
dass dies zwischen zwei benachbarten Platten 10 gleich
einem Daltongitter immer wieder zu Berührungsstellen kommt, die als
Strömungshindernis
und Strömungsumlenkungsstellen
wirken. Darüber
hinaus wirken diese Berührungsstellen
als Abstützung
der Platten aneinander und haben somit Stabilisierungsfunktion für die Platten 10,
insbesondere bezüglich
dem Bestimmungsverhalten der Platten 10. Um einen in der 8 dargestellten
gleichmäßigen Wert
des hydraulischen Durchmessers zwischen zwei Platten zu erhalten,
ist die Anordnung der Berührstellen
der Profile benachbarter Platten wichtig. Diese ergeben sich aus
den Wellenprofilen einander zugewandter Seiten der Platten sowie
aus den Profilverläufen.
Ein gleichmäßiger hydraulischer Durchmesser
stellt einen gleichmäßigen Durchfluss des
Fluids über
ein Wellenprofil hinweg und über
die gesamte Breite des Plattenzwischenraums sicher. Durch konstruktive
Gestaltungsauswahl des Wellenprofils wird ein für den Anwendungszweck optimierter hydraulischer
Durchmesser erreicht.
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Die 4 zeigt
in vergrößerter Darstellung eine
Platte 10 mit einem Wellenprofil 12, welches durch
die Schenkel 14, welche zu einander einen Schenkelwinkel 13 von
45° aufweisen,
gebildet wird. Die Platte 10 wird durch einen abgekröpften Rand 17 begrenzt,
wobei sich das Wellenprofil 12 bis in den Bereich des Randes 17 hinein
erstreckt.
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In
dieser Fig. ist insbesondere der zwischen zwei Bohrungen 18,
von denen eine in einem domförmigen,
erhabenen Bereich 19 ausgebildet ist, gezeigt. Im Bereich
zwischen den beiden Bohrungen 18, der sich insbesondere
auch in den Bereich zwischen den Bohrungen 18 und dem nahe
liegenden Rand 17 erstreckt, sind Verteilerkanäle 22 ausgebildet.
Die Verteilerkanäle 22 werden
dabei durch einen Wellenprofil 23 gebildet, welches sich
von dem Wellenprofil 12 im restlichen Bereich der Platte 10 hinsichtlich
des Schenkelwinkel und der Schenkellängen unterscheidet. Die Schenkelwinkel
liegen insbesondere in einem Bereich unterhalb von 45°. Die Verteilerkanäle 22 führen insbesondere
im Bereich der Bohrung, welche nicht in einem erhabenen Bereich 19 eingebracht
ist, in den entsprechenden Zwischenraum eintretende Medium quer
zur Haupterstreckung der Platte 10 und sorgen somit für eine gleichmäßige Verteilung
des Fluidstroms über
die gesamte Breite der Platte hinweg. Der erhabene Bereich 19,
in den die andere Bohrung 18 eingebracht ist, liegt dabei insbesondere
am Bohrungsbereich der in einem Stapel darüberliegenden Platte 10 dichtend
an und kann mit diesem durch Hartlöten verbunden sein. Hierdurch
wird ein fluiddichter Abschluss zum Zwischenraum 20 zu
der darüber
liegenden Platte 10 geschaffen, sodass zwischen dieser
Bohrung 18 und dem Zwischenraum keine Medienströmung erfolgen
kann und das durch diese Bohrung 18 durchströmende Medium
erst hinter der darüber
liegenden Platte 10 in den dann folgenden Zwischenraum 20 eintreten kann.
Die Bohrungen 18 können
zur Querschnittserhöhung
auch langlochförmig
ausgebildet sein, die Langlochachse erstreckt sich dann bevorzugt
quer zur Hauptdurchströmungsrichtung
H.
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Weiter
kann, wie in der 4a gezeigt, ein profilfreier
Ringbereich 99 um einen domförmig erhabenen Bereich 19 herum
einen Kanal bilden, welcher mehrere Wellenprofile 23 und
Verteilerkanäle 22 miteinander
verbindet und für
eine gute Querverteilung von Medium sorgt, da er einen strömungswiderstandsarmen
Bereich bildet. Der Ringbereich 19 weist dabei eine Einprägtiefe auf,
die im Wesentlichen der Einprägtiefe
des Wellenprofils 23 entspricht.
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Die 5 zeigt
in einer Aufsicht die Darstellung einer Abschlussplatte 24,
weiche vier Anschlussflansche 25 aufweist, die fluchtend
zu den Bohrungen 18 der Platten 10 eines Plattenstapels 21 angeordnet
sind. Eine solche Abschlussplatte kann einerseits oder beiderseits
des Stapel 10 angeordnet sein und diesen nach außen hin
abschließen.
Die Abschlussplatte 24 weist zumindest auf der außen liegenden
Seite keine Wellenprofil 12 auf. Wird beiderseits des Plattenstapels
jeweils eine Anschlussplatte 24 angeordnet, so ist es möglich, dass
eine der beiden Platten vier Anschlussflansche 25 aufweist
oder aber, dass eine Platte ein, zwei oder drei Anschlussflansche 25,
und die gegenüberliegende
Platte die restliche Anzahl der 4 Anschlussflansche 25 aufweist.
Die Anschlussflansche 25 sind jeweils den Anschlussbohrungen
zugeordnet . Die Anschlussflansche 25 dienen dem Anschluss
der externen Leitungen für
die Zufuhr und Abfuhr von Arbeitsmedium und Kühlmedium. Darüber hinaus
versteift die Abschlussplatte 24 den Plattenstapel 21 und
bildet die stirnseitige Gehäusewandung.
Dabei kann die Abschlussplatte 24 einen Rand 17 aufweisen,
der an den Rand 17 der Platten 10 angepasst ist.
Die übereinander
liegenden Ränder 17 der
Platten bilden in einem Plattenstapel 21, wie er in der 2 dargestellt
ist, die seitliche Gehäusewandung
des Wärmeübertragers.
Ein Plattenstapel gemäß der 2,
versehen mit Anschlussflanschen 25 und einer Abschlussplatte 24 bildet
somit einen Wärmeübertrager. Ein
solcher Wärmeübertrager
kann insbesondere als Ölkühler in
einem Fahrzeug dienen.
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Die 6 zeigt
einen Plattenstapel 21, bestehend aus einer Grundplatte 88,
aus Platten 10 und aus einer Abdeckplatte 89,
die drei Bohrungen 18, 18a aufweist. Die Bohrungen 18 dienen
der Führung eines
ersten Mediums, das zwischen den Platten so durchgeführt wird,
dass die Plattenzwischenräume 20 parallel
zueinander durchströmt
werden. Durch die Bohrung 18a tritt ein zweites Medium
in den Plattenstapel ein, das durch die Bohrung 18b in
der Grundplatte wieder aus dem Platenstapel austritt.
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Durch
zumindest eine zwischen den Bohrungen 18a und 18b angeordnete
und von außen
nicht sichtbare Trennwand werden die Strömungskanäle für das zweite Medium in zumindest
zwei Strömungspfade
aufgeteilt, die nacheinander durchströmt werden und jeweils aus einem
oder mehreren Strömungskanälen bestehen.
Die Strömungskanäle für das erste
Medium werden dagegen parallel durchströmt. Bei einem abgewandelten
Ausführungsbeispiel
werden die Strömungskanäle für das erste
Medium dagegen ebenfalls in zumindest zwei Strömungspfade aufgeteilt, die
nacheinander durchströmt
werden.
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Die 7a bis 7d zeigen
unterschiedliche Ausrichtungen der Hauptdurchströmungsrichtung H des Plattenzwischenraums 20 in
Bezug auf die Gravitationsrichtung G in Einbaulage des Wärmeübertragers,
sowie den günstigen
Einfluss auf die Verteilung des Mediums im Plattenzwischenraum insbesondere
bei der Verwendung als Kondensator. Die 7a und 7c zeigen
den Anwendungsfall eines Verdampfers. Aus den 7a und 7c ist ersichtlich,
dass die Hauptdurchströmungsrichtung
H quer oder antiparallel der Gravitationsrichtung G erfolgen sollte,
je nachdem ob die längere
L oder die schmalere Seite S der Platten in Gravitationsrichtung G
ausgerichtet ist, falls es sich um ein flüssiges Medium handelt. Durch
die Gravitation wird eine Querverteilung des Mediums bezüglich der
Hauptdurchströmungsrichtung
unterstützt.
Dagegen zeigen die 7b und 7d, dass
sich ein gasförmiges
Medium am besten zwischen den Platten 10 verteilt, wenn die
Gravitationsrichtung G der Verteilung des Mediums zwischen den Platten
entgegenwirkt.
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Die 8 zeigt
den hydraulischen Durchmesser über
ein gesamtes Wellenprofil in der Hauptdurchströmungsrichtung H hinweg, wobei
in 8a die Ausbildung des Wellenprofils 23 mit
den sich als Kreise 98 eingezeichneten Berührstellen
benachbarter Platten 10 dargestellt ist. Man sieht, dass
sich das Wellenprofil über
die Gesamte Periode des sich aus dem aus den Wellenprofilen 23 der
benachbarten Platten ergebenden Musters hinweg in einer Bandbreite
zwischen 1,2 und 1,6 bewegt und im Mittel ungefähr 1,4 beträgt. Die Ausbildung der Wellenprofile wird
bevorzugt so gewählt,
dass sich ein möglichst konstanter
hydraulischer Durchmesser in der Hauptdurchströmungsrichtung ergibt.
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In 8a sind
die Berührungsstellen
zwischen zwei zueinander benachbarten Platten des Wärmeübertragers
in einer Aufsicht auf eine der Platte als Kreise dargestellt. Es
ist deutlich zu erkennen, dass die Berührungsstellen gleichmäßig über die Plattenfläche verteilt
sind. Eine bevorzugte Flächendichte
der Berührungsstellen
für eine
ausreichende Festigkeit ist 4 bis 7 pro cm2,
besonders bevorzugt von 5 bis 6 pro cm2.
Dies wird anhand 8b, 8c deutlich.
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8b zeigt
den hydraulischen Durchmesser hD eines Strömungskanals zwischen zwei Platten über mehrere
Profilperioden hinweg, und zwar wiederum in Hauptströmungsrichtung
H des Mediums. Eine große
Flächendichte
der Berührungsstellen
läßt einen
Verlauf erwarten, der durch die durchbrochene Kurve in 8b dargestellt
ist, da viele Berührungsstellen
in Hauptströniungsrichtung
H gesehen nebeneinander angeordnet den Strömungskanalquerschnitt einschränken. Dies
wird durch die Einbrüche 40 im
hydraulischen Durchmesser verdeutlicht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, insbesondere
die gleichmäßige Verteilung
der Berührungsstellen,
werden diese Einbrüche
beseitigt oder reduziert, so daß sich
der durchgezogen dargestellte Verlauf für den hydraulischen Durchmesser
ergibt. Je weniger dieser Einbrüche
ein Strömungskanal
aufweist, desto weniger Eng stellen für das strömende Medium weist der Kanal
auf, das heißt
der Druckverlust kann bei gleicher Flächendichte der Berührungsstellen
verringert werden.
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Eine
gleichmäßige Verteilung
wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein Krümmungsbereich zwischen zwei
insbesondere geradlinigen Schenkeln eines Wellenprofils einer Platte
nicht genau über
einem Krümmungsbereich
einer benachbarten Platte zu liegen kommt. Unter Umständen ist
es vielmehr vorteilhaft, wenn die Krümmungsbereiche benachbarter
Platten – in
Hauptströmungsrichtung
gesehen – derart
zueinander versetzt sind, dass jeder Krümmungsbereich quer zur Hauptströmungsrichtung
von zwei Berührungsstellen
der beiden Platten flankiert wird, die vorteilhafterweise einen
gleichen oder ähnlichen
Abstand zueinander aufweisen wie zu anderen Berührungsstellen und somit zwischen
sich einen Strömungsdurchlass
freigeben, der eine nennenswerte Durchströmung erlaubt und damit nicht
in unerwünschtem
Ausmaß zu
einem Druckverlust des zwischen den Platten ausgebildeten Strömungskanals beitragen.
Der Abstand zwischen zwei Berührungsstellen
ist andererseits auch nicht zu groß zu wählen, da sich ansonsten unter
Umständen
lokale Schwachpunkte in der Festigkeit des Wärmeübertragers bilden könnten.
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In 8c ist
eine Auftragung der Festigkeit F und des Druckverlustes DV eines
Wärmeübertragers über der
Dichte BD der Berührungsstellen
zwischen zwei Platten dargestellt. Die Festigkeit des Wärmeübertragers
steigt mit der Berührungsstellendichte
BD linear an und schlägt
sich in 8c als Gerade 41 nieder.
Im Gegensatz dazu weist der Druckverlust DV in dieser Auftragung
(42) eine Progression auf; so dass sich für das Verhältnis F/DV
von Festigkeit F zu Druckverlust DV ein Maximum 43 bei
einer Berührungsstellendichte
BD1 ergibt. Wird nun der Druckverlust erfindungsgemäß abgesenkt
(44), so wird das erwähnte
Maximum erhöht
(45) und gegebenenfalls zu einer höheren Berührungsstellendichte BD2 verschoben.
Experimentell hat sich gezeigt, dass eine Berührungsstellendichte von 4 bis
7 pro cm2, vorzugsweise von 5 bis 6 pro
cm2, zu einer guten Festigkeit bei akzeptablem
Druckverlust führt.
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Anders
betrachtet kann, wie in 8c durch den
Pfeil 46 dargestellt, bei gleichbleibendem Druckverlust
DV zu einer höheren
Berührungsstellendichte BD übergegangen
werden, die zu einer erhöhten Festigkeit
F des Wärmeübertragers
führt.
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In 9 ist
ein Ausschnitt einer Platte 30 eines Wärmeübertragers dargestellt. Die
Verbindungspunkte zwischen zwei benachbarten Platten sind durch
die Kreuzungspunkte der jeweiligen Wellenprofile der beiden Platten
gegeben. Um zu erreichen, daß ein
Abstand zwischen dem Plattenrand und den randnahen Kreuzungspunkten
nicht zu groß ist,
ist es unter Umständen
vorteilhaft, die Geometrie der äußersten
Schenkel gegenüber
der Geometrie der platteninneren Schenkel der Wellenprofile abzuändern. Bei
der Platte in 9 unterscheidet sich aus diesem Grund
der Schenkelwinkel 2b der äußeren Schenkel 31 von
dem Schenkelwinkel 2a der inneren Schenkel 32.
Wie in 9 zu sehen ist, beträgt der halbe Schenkelwinkel
b in einem Randbereich der Platte 30 beispielsweise 60° bei einem
halben Schenkelwinkel von 45° in
einem Mittelbereich der Platte. Dadurch wird in Randbereichen 33 der
Platten eine gleichmäßigere Verteilung
der Verbindungspunkte und damit eine gesteigerte Druckfestigkeit
des Wärmeübertragers
erreicht.
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10 zeigt
eine Platte 35 eines Wärmeübertragers,
bei der sich ein Wellenprofil 34 bis zum umgekröpften Plattenrand 36 erstreckt,
wobei ein verbleibender Kanal 37, der unter Umständen eine unerwünschte Bypassströmung zuläßt, einen
sehr geringen Querschnitt aufweist, so daß die Bypassströmung reduzierbar
ist. Insbesondere bei einem gelöteten
Wärmeübertrager,
das heißt
wenn die Platte 35 lotplattiert ist, bilden sich zwischen
den äußersten
Schenkeln 38 des Wellenprofils 34 und dem umgekröpften Plat tenrand 36 Lotmenisken
aus, die den Randkanal 37 verkleinern oder besonders vorteilhaft verschließen.
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Um
eine Verkleinerung des durch den Wärmeübertrager verursachten Druckverlustes
zu bewirken, sind die Durchbrüche 38 der
Platte und damit die Querschnitte der dadurch gebildeten Sammelkanäle ovalförmig verbreitert.
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11a zeigt einen Querschnitt einer Platte 41 eines
Wärmeübertragers 42,
der aus mehreren Platten 41 aufgebaut ist, wie in 11b abgebildet. Die Platten 41 weisen
als Zuflussleitungen und Abflussleitungen je ein paar Bohrungen 43 senkrecht zur
Plattenebene auf, wobei die Bohrungen 43 gegenüber der
Grundebene der jeweiligen Platte 41 derart erhaben sind,
dass eine fluidische Verbindung von einer der beiden Bohrungen alternierend
nur zu jedem zweiten Plattenzwischenraum 44 besteht. Wie in 11b zu sehen ist, liegt jeweils eine erhabene Bohrung 43 an
einem nicht erhabenen Bereich einer benachbarten Platte 41 an,
so dass die Höhe
des erhabenen Bereiches beispielsweise so groß ist wie die Höhe eines
Wellenprofils der Platte 41.
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12a zeigt einen Querschnitt einer Platte 51 eines
Wärmeübertragers 52,
der aus mehreren Platten 51 aufgebaut ist, wie in 12b abgebildet. Die Platten 51 weisen
als Zuflussleitungen und Abflussleitungen je ein paar Bohrungen 53 senkrecht zur
Plattenebene auf, wobei die Bohrungen 53 gegenüber der
Grundebene der jeweiligen Platte 51 derart erhaben sind,
dass eine fluidische Verbindung von einer der beiden Bohrungen alternierend
nur zu jedem zweiten Plattenzwischenraum 54 besteht. Wie in 12b zu sehen ist, liegt jeweils eine erhabene Bohrung 53 an
einer erhabenen Bohrung 53 einer benachbarten Platte 51 an,
so dass die Höhe
des erhabenen Bereiches beispielsweise nur halb so groß ist wie
die Höhe
eines Wellenprofils der Platte 41. Durch diese Bauweise
reduziert sich unter Umständen
eine Mate rialausdünnung
beim Herstellen der erhabenen Bereiche, so dass eine Zugfestigkeit,
d.h. Innendruckfestigkeit des Wärmeübertragers 52 zumindest in
diesen Bereichen günstig
beeinflusst wird.