DE102006048305A1

DE102006048305A1 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE102006048305A1
Application number: DE102006048305A
Authority: DE
Inventors: Andreas Koepke; Reinhard Wehrmann
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: US20080236802A1; US7740058B2; CN101162132A; DE102006048305B4; CN101162132B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher, aufgebaut aus ineinander gestapelten wannenförmigen Wärmetauscherplatten (11), deren äußeren Ränder (111) aneinander anliegen, mit zwischen den Wärmetauscherplatten (11) liegenden Strömungskanälen (31, 32) für ein Kühlfluid und für ein anderes Fluid, die mit Einsätzen in Form von Turbulatorblechen belegt sind, mit mindestens vier Einlass- bzw. Auslassöffnungen (2, 3, 4, 5) in den Ecken der Wärmetauscherplatten (11), die im Stapel zwei vertikale Kanäle für das Kühlfluid und zwei vertikale Kanäle für das andere Fluid bilden, wobei die Einsätze in den Strömungskanälen (31) für das Kühlfluid mehrteilig ausgebildet sind. Der Plattenwärmetauscher zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Strömungskanäle (31) für das Kühlfluid in den Bereichen um die Öffnungen (2, 3, 4, 5) herum mit plattenartigen Einsätzen ausgerüstet sind, die Führungskanäle (14) mit der Breite (B) aufweisen und in einem Mittelbereich (M) zwischen den plattenartigen Einsätzen mit dem Turbulatorblech versehen sind, wobei die Öffnungen (2, 3, 4, 5) derartig eng in den Ecken angeordnet sind, dass lediglich ein schmaler Streifen (50) erhalten bleibt, der mit einem in den plattenartigen Einsätzen ausgebildeten Führungskanal (14') belegt ist, der eine wesentlich kleinere Breite (b) als die Breite (B) der übrigen Führungskanäle (14) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 197 09 601 A1 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt, der die Merkmale des Oberbegriffs besitzt. In seinen Strömungskanälen weist er Turbulenzbleche (Lamellen) auf, die zur Senkung des Druckverlustes in Abschnitte unterteilt sind. Bei diesen Abschnitten handelt es sich um immer dieselbe Art von Turbulenzblechen, wobei die Abschnitte um jeweils 90° verdreht zum benachbarten Abschnitt eingelegt werden. Sie sind in der Form zueinander angepasst, so dass keine Lücken entstehen. Dennoch ist hier, wie sich gezeigt hat, der Druckverlust insgesamt zu hoch und die Innendruckstabilität ist verbesserungsbedürftig.
Aus der EP 1 152 204 B1 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt, in dessen für das Kühlmittel gedachten horizontalen Strömungskanälen zwischen zwei Wärmetauscherplatten eine Zusatzplatte liegt. Diese Zusatzplatte weist Längssicken beliebiger Form auf, die dazu dienen, das Fluid umzulenken bzw. zu führen. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des wärmetauschenden Fluids über die gesamte Wärmetauscherplatte erreicht. Ferner wurde mit der Zusatzplatte die Innendruckstabilität und auch die Temperaturwechselbelastungsfähigkeit des Wärmetauschers verbessert. Diese Ausgestaltung hat allerdings den Nachteil, dass das Fluid im mittleren Bereich des Wärmetauschers eine weitgehend laminare Strömung besitzt. Deshalb ist der Wärmeaustausch nicht optimal und könnte verbessert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmetauscher zur Verfügung zu stellen, der hinsichtlich des Druckverlustes und der Wärmeaustauscheffizienz optimiert ist, ohne gleichzeitig die gute Innendruckstabilität und Temperaturwechselbelastungsfähigkeit einzubüßen.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich mit einem Plattenwärmetauscher, der neben den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass in den Strömungskanälen für das Kühlfluid jeweils ein Einsatz vorgesehen ist, der in den Bereichen um die Öffnungen herum plattenartige Abschnitte aufweist, in denen Führungskanäle der Breite (B) ausgebildet sind, dass der Einsatz in einem Mittelbereich zwischen den plattenartigen Abschnitten als Turbulenzerzeuger ausgebildet ist, und dass die Öffnungen derartig eng in den Ecken angeordnet sind, dass lediglich ein schmaler Streifen erhalten bleibt, der mit einem Führungskanal belegt ist, welcher eine wesentlich kleinere Breite (b) als die Breite (B) der anderen Führungskanäle aufweist.
Die vorgeschlagenen Einsätze können einteilig sein. Das bietet sich bei sehr hohen Stückzahlen an, da ein entsprechendes Werkzeug Kosten verursacht. Sie sind jedoch bevorzugt wenigstens dreiteilig, wobei in einem Strömungskanal jeweils zwei plattenartige Einsätze vorgesehen sind, die die Führungskanäle besitzen, und wobei im Mittelbereich wenigstens ein Turbulenzerzeuger angeordnet ist. Diese hier bevorzugte Maßnahme ist bei geringeren Stückzahlen vorteilhafter. Ferner können unterschiedliche Dicken von Metallblechen zum Einsatz kommen, also beispielsweise können die plattenartigen Einsätze geringfügig dicker sein als das Ausgangsmaterial (Blechstreifen) für den Turbulenzerzeuger.
Weil die Strömungskanäle für das Kühlfluid in den Bereichen um die Öffnungen herum mit plattenartigen Einsätzen bzw. Abschnitten ausgerüstet sind, die Führungskanäle aufweisen, wird die Innendruckstabilität vergleichsweise verbessert, da die plattenartigen Einsätze bzw. Abschnitte größere Flächen bereitstellen, die mit den angrenzenden Wärmetauscherplatten verlötet werden. Gleichzeitig wird der Druckverlust moderat gehalten, da in den erwähnten Bereichen weniger Turbulenzen auftreten. Weil ferner in einem Mittelbereich zwischen den plattenartigen Einsätzen bzw. Abschnitten eine Lamelle als Turbulenzerzeuger angeordnet ist, wird die Wärmetauscheffizienz verbessert, da im Mittelbereich vergleichsweise mehr Turbulenzen erzeugt werden. Weil die Öffnungen derartig eng in den Ecken angeordnet sind, dass lediglich ein schmaler Streifen erhalten bleibt, der mit in den plattenartigen Einsätzen bzw. Abschnitten ausgebildetem Führungskanal belegt ist, der eine wesentlich kleinere Breite im Vergleich zu den anderen Führungskanälen aufweist, wird die gesamte wärmetauschende Fläche vergleichsweise vergrößert oder wenigstens besser am Wärmeaustausch beteiligt, was sich positiv auf die Effizienz auswirkt.
Um einen Beitrag zur Qualitätssicherung bei der Herstellung des Plattenwärmetauschers zu leisten, ist weiter vorgesehen, dass an wenigstens einem Öffnungsrand der plattenartigen Einsätze eine Positionierungshilfe, beispielsweise ein Vorsprung ausgebildet ist. Die Positionierungshilfe greift in eine Nut am Rand der Einlass- oder Auslassöffnung ein. Fehlerhaftes Stapeln der Wärmetauscherplatten bzw. der plattenartigen Einsätze wird vermieden. Die Positionierungshilfen sind an dem Rand derjenigen Öffnungen ausgebildet, die dem Strömungskanal für das Kühlfluid zugeordnet sind.
Als weiterer Vorteil der Ausbildung eines Führungskanals in dem erwähnten schmalen Streifen hat sich herausgestellt, dass die Qualität der Verlötung in den Eckbereichen verbessert wurde. Das wird darauf zurückgeführt, dass der dort vorhandene Führungskanal das so genannte „Wegsacken" der Ecken bei Löttemperatur und unter der Einwirkung einer auf die Platten des Plattenwärmetauschers gerichteten Kraft während des Lötens deutlich eingeschränkt hat. Der Führungskanal setzt dieser Kraft eine Komponente entgegen und macht deshalb die Ecken formstabiler. Dies ist auch nachvollziehbar, wenn bedacht wird, dass die Höhe der Strömungskanäle nur wenige Millimeter, manchmal nur zwischen 1 und 2 mm beträgt. Die mit einem Führungskanal ausgebildeten schmalen Streifen weisen etwa eine viertelkreisartige Gestaltung auf. Die Führungskanäle werden teilweise aus einem umgeformten Rand der plattenartigen Einsätze bzw. Abschnitte und teilweise durch den Rand zweier Wärmetauscherplatten gebildet.
In den Strömungskanälen für das andere Fluid befindet sich eine einteilige Lamelle. Bei einem Ölkühler handelt es sich bei den anderen Strömungskanälen um diejenigen für das Öl.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel beschrieben, wozu auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
Die Figuren zeigen Folgendes:
1 perspektivische Ansicht eines „offenen" Plattenwärmetauschers;
2 Draufsicht auf den Plattenwärmetauscher gemäß der 1;
3 Detail aus 2;
4 Schnitt durch die Schmalseite eines Teils des Plattenwärmetauschers;
5 Detail aus 4;
6 Detail einer Lamelle;
In der 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Plattenwärmetauschers 1 gezeigt, bei dem es sich um einen Ölkühler handelt, der jedoch auch anderen wärmetauschenden oder wärmeübertragenden Zwecken dienen könnte. Er wurde offen, d.h. ohne obere Abschlussplatten etc. dargestellt. Insbesondere zeigen die 1 und 2 das Innere eines Strömungskanals 31, in dem Kühlflüssigkeit strömt. Zu sehen sind ferner wannenförmige Wärmetauscherplatten 11 mit hochgestelltem Rand 111, an dem sie aneinander anliegen und abwechselnd zwischen je zwei Wärmetauscher platten 11 die Strömungskanäle für ein flüssiges Kühlmittel 31 und andere Strömungskanäle für das Öl 32 bilden. Die Einlass- und Auslassöffnungen 2, 3, 4 und 5 in den Wärmetauscherplatten 11 bilden Kanäle, die senkrecht zu den erwähnten Strömungskanälen 31, 32 verlaufen. Durch Anschlussstutzen 30, oben oder unten am Wärmetauscher 1, gelangen die Kühlflüssigkeit und das Öl in den Wärmetauscher 1 hinein und verlassen denselben auf diese Weise auch wieder. Wahlweise können sämtliche Stutzen 30 entweder an der obersten oder untersten Platte angeordnet sein oder auch verteilt an der untersten und an der obersten Platte, je nachdem welche Erfordernisse des Einbauortes bzw. des Maschinenaggregats vorhanden sind.
In den Strömungskanälen 32 für das Öl, sind herkömmliche Turbulenzeinlagen 19 als Einsätze 10 vorgesehen. (nicht gezeigt) In den Strömungskanälen 31 für das Kühlmittel, werden plattenartige Einsätze 10' und eine Turbulenzeinlage 19 verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel, welches einteilige Einsätze 10' besitzt wurde nicht gezeigt. Bei diesem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind die plattenartigen Einsätze plattenartige Abschnitte des einteiligen Einsatzes, die den gezeigten und unten noch weiter beschriebenen plattenartigen Einsätzen 10' entsprechen können. Der Mittelbereich M ist als Turbulenzerzeuger mit einer entsprechenden Riffelung oder dergleichen ausgebildet.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist dreiteilige Einsätze 10' auf.
Zu sehen ist in 1, dass im Bereich der Einlass- und Auslassöffnungen 3 und 4, sowie 2 und 5 jeweils ein plattenartiger Einsatz 10' angeordnet ist. Dazwischen, im mittleren Bereich M, ist die Turbulenzeinlage 19, wie sie in 6 gezeigt ist, eingelegt worden. Es kann aber auch jede andere Form einer Turbulenzeinlage verwendet werden. Alle Einsätze 10, 10', 19 lassen sich leicht herstellen und leicht einlegen, so dass die Herstellungskosten zumindest nicht ansteigen werden. Sämtliche Teile werden aus ebenen Metallblechen hergestellt. Durch geeignete Umformprozesse erhalten sie die hier gezeigte Form. Es werden strömungsleitende Führungskanäle 14 mit Einström- bzw. Ausströmöffnungen 13 in den plattenartigen Einsätzen 10' eingearbeitet. Außerdem auch Noppen 15, die in der Nähe der Einlass- oder Auslassöffnung 2 der Wärmetauscherplatte 11 angeordnet sind und der Innendruckstabilisierung sowie einer gewissen Turbulenzbildung dienen. Die Führungskanäle 14 können Verzweigungen aufweisen. Sie enden bei der dreiteiligen Ausführung an den Kanten 18, an denen sich die Turbulenzeinlage 19 anschließt.
In 2 ist eine Draufsicht auf eine Wärmetauscherplatte 11 mit drei eingelegten Einsätzen 10' und 19 gezeigt. Hier erkennt man deutlich wie die Führungskanäle 14 mit ihren Einströmöffnungen 13 das Kühlmittel aufnehmen und zu dem Turbulenzblech 19 hinleiten. So wird der Druckverlust minimal gehalten und gleichzeitig der Wärmeaustausch maximiert. Dieses ist durch die geschickte und überraschend einfache Kombination der Einsätze 10' und 19 möglich geworden. Das Turbulenzblech 19 wird vorzugsweise so eingelegt, dass die Wellung 25 senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmittels ist.
Die Positionierungshilfe 16 ist an den Öffnungen in den Einsätzen 10' ausgebildet worden, die der Einlass- 4 und der Auslassöffnung 5 für die Kühlflüssigkeit zugeordnet sind. Es soll dadurch verhindert werden, dass der Einsatz 10' falsch herum eingelegt wird, was zu einem funktionsunfähigen Plattenwärmetauscher führen würde. In 3 ist die Positionierungshilfe 16 im Detail gezeigt.
In 4 ist ein vertikaler Schnitt durch die Schmalseite des Wärmetauschers 1 zu sehen. Es ist ein Schnitt durch die Kanäle 3 und 4 dargestellt. Den oberen Abschluss des Wärmetauschers bildet die obere Abschlussplatte 21. Im Bereich der Kanäle 3 und 4 weist sie Eindellungen 22 auf. Diese dienen der Druckstabilisierung.
Hier sind die Anschlussstutzen 30 gezeigt. Der Wärmetauscher 1 wird mittels der Anschlussplatte 20a befestigt. Zwischen Wärmetauscher 1 und Anschlussplatte 20a befindet sich eine Verstärkungsplatte 20b. Die Abschlussplatte 21, die Anschlussplatte 20a und die Verstärkungsplatte 20b sind dicker als die Wärmetauscherplatten 11. Je nach Anwendung im Fahrzeug können die verschiedenen Platten eine unterschiedliche Blechdicke aufweisen. Die Pfeile sollen die Strömung der beiden Fluide andeuten.
In 5 ist ein Detail eines Eckbereiches des Wärmetauschers 1 gezeigt. Es geht hier vor allem darum, den Aufbau des Führungskanals 14' deutlich zu machen, der sich im schmalen Streifen 50 erstreckt. Es ist sehr gut zu sehen, wie die Ränder 111 der wannenförmigen Wärmetauscherplatten 11 ineinander greifen und für eine dichte Verlötung des Wärmetauschers 1 sorgen. Der Führungskanal 14' dient nebenbei zur Stabilisierung des Wärmetauschers 1 während des Lötprozesses. In den Ecken, in denen sich die Einlass- und Auslassöffnungen 2, 3, 4, 5 befinden, kam es bei den im Stand der Technik bekannten Wärmetauschern häufig vor, dass die aus dünnen Me tallblechen bestehenden Wärmetauscherplatten 11 während des Lötens nachgaben. Das Besondere ist hier, dass die Strömungsleitung im Führungskanal 14' zum einen durch einen umgebogenen Rand 17 des Einsatzes 10' und zum anderen durch den Rand 111 der Wärmetauscherplatte 11 erreicht wird. Dieser Führungskanal 14' weist eine Breite b auf, die kleiner ist als die Breite B der anderen Führungskanäle 14 in den Einsätzen 10'. Um die Fläche; die zum Wärmeaustausch zur Verfügung steht, zu optimieren, wurden die Einlass- und Auslassöffnungen 2, 3, 4, 5 sehr eng in die Ecken der Wärmetauscherplatten 11 gesetzt.
In 6 ist ein Schnitt durch die verwendeten Turbulenzeinlagen 19 zu sehen. Sie weisen eine Wellung 25 mit Wellenbergen 27 und Wellentälern 26 auf. Zusätzlich sind in den Wellenflanken Schnitte 28 vorgesehen, die zu einer Verschiebung der Wellung 25 in regelmäßigen Abständen führen. Somit kann eine optimale Turbulenz erzeugt werden, die einen optimalen Wärmeübergang erlaubt.

Claims

Plattenwärmetauscher, aufgebaut aus ineinander gestapelten, wannenförmigen Wärmetauscherplatten (11), deren Ränder (111) aneinander anliegen, mit zwischen den Wärmetauscherplatten (11) liegenden Strömungskanälen (31, 32) für ein Kühlfluid und für ein anderes Fluid, die mit Einsätzen (10) in Form von Turbulatorblechen (19) belegt sind, mit mindestens vier Einlass- bzw. Auslassöffnungen (2, 3, 4, 5) in den Ecken der Wärmetauscherplatten (11), die im Stapel zwei vertikale Kanäle für das Kühlfluid und zwei vertikale Kanäle für das andere Fluid bilden, wobei die Einsätze (10) in den Strömungskanälen (31) für das Kühlfluid ein- oder mehrteilig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungskanälen (31) für das Kühlfluid jeweils ein Einsatz (10') vorgesehen ist, der in Bereichen um die Öffnungen (2, 3, 4, 5) herum plattenartige Abschnitte aufweist, in denen Führungskanäle (14) der Breite (B) ausgebildet sind, dass der Einsatz (10') in einem Mittelbereich (M) zwischen den plattenartigen Abschnitten als Turbulenzerzeuger ausgebildet ist, und dass die Öffnungen (2, 3, 4, 5) derartig eng in den Ecken angeordnet sind, dass lediglich ein schmaler Streifen (50) erhalten bleibt, der mit einem Führungskanal (14') belegt ist, der eine wesentlich kleinere Breite (b) als die Breite (B) der anderen Führungskanäle (14) aufweist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze (10') einteilig ausgebildet sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze (10') wenigstens dreiteilig ausgebildet sind, wobei zwei plattenartige Einsätze vorgesehen sind, die die Führungskanäle (14) besitzen, und dass im Mittelbereich (M) wenigstens ein Turbulatorblech (19) als Turbulenzerzeuger angeordnet ist
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Öffnungsrand der plattenartigen Einsätze (10') eine Positionierungshilfe (16), beispielsweise ein Vorsprung ausgebildet ist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungshilfe (16) in eine Nut am Rand einer Einlass- oder Auslassöffnung eingreift.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass Positionierungshilfen (16) an dem Rand derjenigen Öffnungen (4; 5) ausgebildet sind, die dem Strömungskanal (31) für das Kühlfluid zugeordnet sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Führungskanal (14') ausgebildeten schmalen Streifen (50) eine etwa viertelkreisartige Gestaltung aufweisen.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskanäle (14') etwa zur Hälfte aus einem umgeformten Rand (17) des Einsatzes (10') und zur anderen Hälfte durch den Rand der beiden Wärmetauscherplatten (11) gebildet sind, zwischen denen sich der Einsatz (10') befindet.
Plattenwärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskanäle (14', 14) jeweils eine Eintrittsöffnung (13) und eine Austrittsöffnung (13) aufweisen, einen bogenartigen Verlauf nehmen und auf die beiden Öffnungen (4, 5) in den Wärmetauscherplatten (11) ausgerichtet sind, die den Strömungskanal (31) mit dem Kühlmittel bedienen.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen bzw. die Austrittsöffnungen (13) an einer Seite der Einsätze (10') etwa auf einer Geraden und auf der anderen Seite mit verschiedenen Abständen vor den Öffnungen (4; 5) liegen.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerade jeweils am Übergang zum Mittelbereich (M) liegt und vorzugsweise etwa senkrecht auf der Längsseite der Wärmetauscherplatten (11) steht.
Plattenwärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungskanälen (32) für das andere Fluid ein vorzugsweise einteiliges Turbulatorblech (19) angeordnet ist.