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Die
Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmeübertrager nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Stapelscheibenwärmeübertrager
sind bekannt, z. B. durch die
EP 0 623 798 A2 der Anmelderin. Der Stapelscheibenwärmeübertrager,
der häufig als Öl/Kühlmittelkühler bei
Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, besteht aus einer Vielzahl von
gleich ausgebildeten Stapelscheiben, d. h. Platten mit einem umlaufenden,
hochgestellten Rand und napfförmigen Ausprägungen.
Die Stapelscheiben werden zu einem Block oder Stapel aufgeschichtet
und im Bereich der umlaufenden Ränder
verlötet.
Zur Ausbildung von senkrecht zu den Plattenebenen verlaufenden Sammel-
und Verteilerkanälen
werden die Stapelscheiben auch im Bereich der napfförmigen Ausprägungen miteinander
verlötet.
Dadurch werden Strömungskanäle für zwei Medien,
also beispielsweise Öl und
ein flüssiges
Kühlmittel
geschaffen. Zwischen den Stapelscheiben können Turbulenzbleche zur Erhöhung des
Wärmeüberganges,
insbesondere auf der Ölseite
eingelegt sein, wobei die Turbulenzbleche auch mit den Stapelscheiben
verlötet
sind und somit eine Zugankerwirkung entfalten. Dadurch wird insbesondere
die Innendruckfestigkeit des Wärmeübertragers
erhöht.
Möglich
ist jedoch auch, statt der Turbulenzeinlagen Turbulenz erzeugende
Aus- oder Einprägungen
in den Platten vorzusehen. Die Montage der als Gleichteile ausgebildeten
Platten erfolgt in der Weise, dass beim Aufeinanderstapeln jeweils
die folgende Platte um 180 Grad um ihre Hoch achse gedreht wird.
Darüber
hinaus ist es auch durch die WO 2005/012820 A1 der Anmelderin bekannt,
gewellte Platten bzw. Stapelscheiben zu verwenden und diese im Bereich
von Kontaktstellen zu verlöten.
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Der
Stapel des Wärmeübertragers
wird nach oben in der Regel durch eine Abdeckscheibe abgeschlossen,
welche eine größere Wandstärke als
die Stapelscheiben aufweist. Während
die innerhalb des Stapels angeordneten Stapelscheiben weitestgehend
druckausgeglichen sind, trifft dies für die Abdeckscheibe nicht zu,
weshalb sie, um der erhöhten Druckbelastung
standzuhalten, verstärkt
wird. Diese Verstärkung
gilt auch für
die Boden- oder Grundplatte des Stapels, wie aus der
DE 197 11 258 A1 der Anmelderin
bekannt ist.
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Aus
der
DE 195 11 991
A1 der Anmelderin ist bekannt, dass derartige Stapelscheibenwärmeübertrager
nicht nur als Ölkühler, sondern
auch als Ladeluftkühler
oder Abgaswärmeübertrager
verwendet werden können,
wobei auch das kühlende
Medium ein Gas, d. h. Umgebungsluft sein kann. Bei einem flüssigkeitsgekühlten Ladeluft-
oder Abgaskühler weisen
die Strömungskanäle des Stapelscheibenwärmeübertragers
unterschiedliche Höhe
aufweisen, so dass sich unterschiedliche Strömungsquerschnitte ergeben.
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Für Abgaswärmeübertrager
ist es, z. B. nach der
DE
102 03 003 A1 bekannt, dem Abgaswärmeübertrager einen Bypass zuzuordnen,
welcher über ein
Abgasventil, welches als Weiche zwischen Abgaswärmeübertrager und Bypass wirkt,
ansteuerbar ist. Der Bypasskanal kann in den gesamten Wärmeübertrager,
d. h. in dessen Gehäuse
integriert oder – wie
aus der
DE 199 06
401 C1 bekannt ist – separat zum
Abgaswärmeübertrager
angeordnet sein. Ebenso kann das Abgasventil in den Wärmeübertrager
integriert oder separat angeordnet sein, wobei wiederum eine Anordnung
auf der Abgaseintritts- oder
Abgasaustrittsseite des Wärmeübertragers
möglich
ist. Die bekannten Abgaswärmeübertrager
mit Bypasskanal sind als Rohrbündelwärmeübertrager
ausgebildet, wobei ein Bündel
von Rohren, welche von Abgas durchströmt werden, in einem Gehäuse angeordnet ist,
welches von einem Kühlmittel
durchströmt
wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stapelscheibenwärmeübertrager
der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Verwendungsmöglichkeiten
zu verbessern, insbesondere eine Leistungs- und Durchsatzregelung
zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist dem
aus Stapelscheiben bestehenden Stapel des Wärmeübertragers ein Bypasskanal
zugeordnet, welcher vorteilhafterweise in den Stapel integriert
ist. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass eine
zusätzliche
Stapelscheibe, eine Abschlussscheibe, als Bypasskanal ausgebildet
und mit den übrigen
Stapelscheiben randseitig verbunden, d. h. verlötbar ist. Innerhalb des Bypasskanals,
welcher eine etwas größere Höhe als die übrigen Strömungskanäle des Stapels
aufweist, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Bypassventil,
vorteilhafterweise ein Drehschieber angeordnet, welcher von außen durch
beliebige Stellmittel betätigt
werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird der Vorteil erreicht,
dass eine Durchsatzregelung, und damit eine Leistungsregelung des
Wärmeübertragers
möglich
wird. Durch das Bypassventil kann ein Anteil des Massenstromes am Wärmeübertrager
vorbeigesteuert werden, so dass der Wärmeübertrager von einem verminderten
Massenstrom durchströmt
wird. Vorteilhaft ist auch die Anordnung eines Drehschiebers in
dem relativ flach bauenden Bypasskanal, welcher als zusätzliche
Stapelscheibe ausgebildet ist. Für
den gesamten Wärmeübertrager
ergibt sich somit der Vorteil einer kompakten Bauweise für einen
mit Bypasskanal und Bypassventil ausgestatteten Wärmeübertrager.
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Vorteilhafterweise
sind die äußeren Stapelscheiben
durch Verstärkungsscheiben
verstärkt,
die eine größere Wandstärke und/oder
Versteifungssicken aufweisen. Im Bypasskanal ist eine Verstärkungsscheibe
mit Zugankern vorgesehen, die als Lappen aus der Verstärkungsscheibe
herausgeformt und mit der zusätzlichen
Stapelscheibe, die den Bypasskanal bildet, verlötbar sind. Damit ist die zusätzliche,
d. h. die „Bypassscheibe" druckfest mit dem übrigen Stapel
verbunden.
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Das
Bypassventil kann auf der Zuströmseite oder
auch auf der Abströmseite
des ersten Strömungsmediums
angeordnet sein. Die Scheiben des Stapelscheibenwärmeübertragers
können
glatt oder profiliert ausgebildet, d. h. mit Strukturelementen oder
mit einer Wellung versehen sein, wie dies aus dem Stand der Technik
bekannt ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Stapelscheibenwärmeübertrager mit
Bypasskanal als Abgaswärmeübertrager
in einem Abgasrückführsystem
eines Kraftfahrzeuges Verwendung finden, d. h. die Strömungskanäle für das erste
Strömungsmedium
werden vom Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt – ebenso der durch das Drehschieberventil
ansteuerbare Bypasskanal. Vorteilhaft wird ein derartiger Abgaskühler durch
das flüssige
Kühlmittel
der Brennkraftmaschine gekühlt; möglich ist
jedoch auch eine Luftkühlung.
Darüber
hinaus ist auch eine Verwendung als Ladeluftkühler mit einem regelbaren Ladeluftdurchsatz
möglich.
Die kompakte und flache Bauweise des erfindungsgemäßen Scheibenwärmeübertragers
kommt einer Verwendung im Kraftfahrzeug sehr entgegen, d. h. ist hier
sehr vorteilhaft.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Stapelscheibenwärmeübertrager
mit integriertem Bypasskanal und Bypassventil in isometrischer Darstellung,
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2 den
Stapelscheibenwärmeübertrager gemäß 1 in
einer Ansicht von der Seite,
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3 den
Stapelscheibenwärmeübertrager gemäß 1 in
einer Ansicht von vorn,
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4 den
Stapelscheibenwärmeübertrager gemäß 4 in
einer Ansicht von unten,
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5 eine
Verstärkungsplatte
für die
Unterseite des Stapelscheibenwärmeübertragers,
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6 den
Stapelscheibenwärmeübertrager ohne
Bypasskanal,
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7 den
Stapelscheibenwärmeübertrager ohne
Bypasskanal, jedoch mit Verstärkungsplatte und
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8 den
Stapelscheibenwärmeübertrager gemäß 7,
jedoch mit Bypassventil.
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1 zeigt
einen Stapelscheibenwärmeübertrager 1,
welcher vorzugsweise als Abgaswärmeübertrager
in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug verwendbar ist. Im Rahmen
eines Abgasrückführsystems
(AGR-System) wird dabei von der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges
ausgestoßenes
Abgas gekühlt,
vorzugsweise durch flüssiges
Kühlmittel des
Kühlkreislaufes
der Brennkraftmaschine und dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
gekühlt wieder
zugeführt.
Der Stapelscheibenwärmeübertrager 1 weist
für den
Anschluss an das AGR-System eine Abgaseintrittsöffnung 2 und eine
Abgasaustrittsöffnung 3 sowie – zum Anschluss
an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine – einen
Kühlmitteleintrittsstutzen 4 und
einen Kühlmittelaustrittsstutzen 5 auf.
Der Stapelscheibenwärmeübertrager 1 besteht
einerseits aus einem Stapel von Stapelscheiben 6, welche
nicht dargestellte Strömungskanäle für die beiden
Strömungsmedien, d.
h. in diesem Ausführungsbeispiel
für das
Abgas und das Kühlmittel
bilden. Diese Bauweise eines Stapelscheibenwärmeübertragers ist aus dem eingangs genannten
Stand der Technik bekannt. Oberhalb des Stapels ist eine zusätzliche
Stapelscheibe 7 als Abschlussscheibe angeordnet, welche
im Grundriss die gleiche Form wie die Stapelscheiben 6 aufweist
und randseitig mit der obersten Stapelscheibe 6 verlötet ist.
Die zusätzliche
Stapelscheibe 7 bildet einen Bypasskanal für das in
die Eintrittsöffnung 2 eintretende Abgas
mit der Konsequenz, dass die Abgaseintrittsöffnung 2 mit der Abgasaustrittsöffnung 3 kurz
geschlossen werden kann, ohne dass Abgas die Stapelscheiben 6 durchströmt. Innerhalb
der zusätzlichen
Scheibe 7 ist im Bereich der Abgaseinrittsöffnung 2 ein
Bypassventil in Form eines Drehschiebers 8 angeordnet,
welcher über
einen Schwenkzapfen 9 und einen Schwenkhebel 10 betätigt werden
kann. Der Drehschieber 8 wirkt – wie an sich bekannt – als Weiche
für das
einströmende
Abgas, so dass dieses entweder durch den Abgaswärmeübertrager, bestehend aus den
Stapelscheiben 6, oder durch den Bypasskanal 7 geleitet
wird.
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Abweichend
vom dargestellten und zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Bypassventil
in Form des Drehschieber 8, 9, 10 auch
im Bereich der Abgasaustrittsöffnung 3,
also an der „kalten" Seite des Wärmeübertragers 1 angeordnet
sein. Ebenso können
Kühlmittelein-
und -austrittsstutzen 4, 5 vertauscht werden,
so dass das Abgas und das Kühlmittel
sich entweder im Gleichstrom oder Gegenstrom befinden.
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Der
Abgaswärmeübertrager 1 kann
abgasseitig über
nicht dargestellte Schraubflansche mit den ebenfalls nicht dargestellten
Abgasleitungen des AGR-Systems verbunden werden, wozu eingeschweißte oder
eingelötete
Einschraubmuttern 11, 12 an der Eintritts- und
der Austrittsöffnung 2, 3 für das Abgas
vorgesehen sind. Die Einschraubmuttern 11, 12 sind
an der Innenseite (nicht sichtbar) der zusätzlichen Scheibe 7 befestigt.
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2 zeigt
den Stapelscheibenwärmeübertrager 1 vergrößert in
einer Ansicht von der Seite – für gleiche
Teile werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Allerdings werden
die Stapelscheiben 6 gemäß 1 hier als
zwei Arten von Stapelscheiben, gekennzeichnet durch die Bezugszahlen 6a, 6b,
mit unterschiedlicher Höhe
dargestellt. Die Stapelscheiben 6a weisen eine geringere
Höhe, die
Stapelscheiben 6b eine größere Höhe und damit nicht dargestellte Strömungskanäle eines
größeren Strömungsquerschnittes
auf, was aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist.
Die größeren Strömungsquerschnitte
werden vom Abgas, die kleineren vom Kühlmittel durchströmt. Oberhalb
der Stapelscheiben 6a, 6b ist die zusätzliche
Scheibe 7 angeordnet, die ebenfalls als Stapelscheibe ausgebildet ist,
jedoch eine wesentlich größere Höhe H aufweist. Die
Abschlussscheibe 7 ist somit – wie eine Haube – über den
Stapel, bestehend aus Stapelscheiben 6a, 6b, gestülpt und
bildet mit diesen einen verlöteten Block.
Aus der Abschlussscheibe 7 ragt nach oben der Schwenkzapfen 9,
welcher von einem als Federclip ausgebildeten Schwenkhebel 10 formschlüssig umfasst
wird. Der Schwenkzapfen 9 ist in einem Hals 13 geführt, welcher
mit der Abschlussscheibe 7 verbunden ist, insbesondere
durch Verlöten
und/oder Verstämmen.
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3 zeigt
den Stapelscheibenwärmeübertrager 1 in
einer Ansicht von vorn, gegenüber
der Darstellung in 2. verkleinert. Es werden wiederum
die gleichen Bezugszahlen verwendet.
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4 zeigt
den Stapelscheibenwärmeübertrager 1 in
einer Ansicht von unten, d. h. in Richtung X gemäß 3. Die unterste
Stapelscheibe 6a weist die Ein- und Austrittsöffnungen 4, 5 für das Kühlmittel auf.
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5 zeigt
in isometrischer Darstellung eine Verstärkungsscheibe 14,
welche für
die Unterseite (vgl. 4) des Abgaswärmeübertragers 1 vorgesehen
ist und die beiden Kühlmittelstutzen 4, 5 enthält. Die
Verstärkungsscheibe 14,
die quer verlaufende Versteifungssicken 15 aufweist, wird
mit der untersten Stapelscheibe 6a verlötet, womit gleichzeitig die Kühlmittelanschlussstutzen 4, 5 am
Abgaswärmeübertrager 1 befestigt
werden.
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6 zeigt
in isometrischer Darstellung den Abgaswärmeübertrager 1 ohne die
obere Abschlussscheibe 7, welche den Bypasskanal bildet.
Der aus den Stapelscheiben 6 bestehende Wärmeübertragerblock
weist einen die Stapelscheiben 6 senkrecht durchsetzenden
Verteilerkanal 16 für
eintretendes Abgas und einen die Stapelscheiben 6 senkrecht durchsetzenden
Sammelkanal 17 für
austretendes Abgas auf. Ferner weist der Wärmeübertragerblock einen mit dem
Kühlmitteleintrittsstutzen 4 fluchtenden
Eintrittskanal 18 und einen mit dem Kühlmittelaustrittsstutzen 5 fluchtenden
Austrittskanal 19 auf, welche die Stapelscheiben 6 senkrecht
durchsetzen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich
somit Abgas und Kühlmittel
im Gegenstrom. Wie bereits oben ausgeführt, ist jedoch auch durch Vertauschung
der Ein- und Austrittsstutzen
ein Gleichstrom beider Medien möglich.
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7 zeigt
den in 6 dargestellten Wärmeübertragerblock mit einer oberen
Verstärkungsplatte 20,
welche mit der obersten Stapelscheibe 6 verlötbar ist,
wobei gleichzeitig die in 6 dargestellten
Kühlmittelkanäle 18, 19 fludiddicht
abgeschlossen sind. Aus der Verstärkungsplatte 20 sind Reihen
von hakenförmig
ausgebildeten Zugankern 21 ausgeschnitten und ausgeformt,
die gleichzeitig als Abstandselemente für die darüber anzuordnende Abschlussscheibe 7 fungieren.
Die Abgaskanäle
sind 16, 17 nach oben offen – nach unten sind sie durch die
in 5 dargestellte Verstärkungsplatte 14 geschlossen.
Unmittelbar neben dem Abgaseintrittskanal 16 ist in der
Verstärkungsplatte 20 eine
Lagerbohrung 22 angeordnet, welche der Aufnahme eines in 8 dargestellten
Schwenkzapfens dient.
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8 zeigt
den Wärmeübertragerblock
gemäß 7 mit
einem Bypassventil 23, welches die bereits bei der Beschreibung
der 1, 2, 3 erwähnten Elemente
wie Drehschieber 8, Schwenkzapfen 9, Schwenkhebel 10 und
Hals 13 aufweist. Wie bereits ausgeführt, ist der Hals 13 als
Führung für den Schwenkzapfen 9 fest
mit der Abschlussscheibe 7 verbunden und dient somit zusammen
mit der Lagerbohrung 22 (vgl. 7) als Schwenklager für den Schwenkzapfen 9,
welcher formschlüssig
mit dem Drehschieber 8 verbunden ist. Der Schwenkhebel 10,
der ebenfalls formschlüssig
mit dem Schwenkzapfen 9 verbundne ist, weist eine exzentrisch
zur Schwenkachse angeordnete Öffnung 10' auf, an welcher
ein nicht dargestelltes Betätigungsgestänge zur
Verstellung des Drehschiebers 8 angreift. Der scheibenförmig ausgebildete
Drehschieber 8 bewegt sich somit parallel zur Ebene der
Stapelscheiben 6 und kontrolliert den Querschnitt des Abgaseintrittskanals 16.
Das Prallen des Gases gegen den scheibenförmig ausgebildeten Drehschieber sorgt
für eine
Abdichtung zwischen beiden Kanälen.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist die die Verstärkungsscheibe
als Zuganker und/oder Strömungsrichter
ausgebildet.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist mindestens eine Rücklaufkanalscheibe
Flansch, insbesondere als integrierter Flansch, ausgebildet.
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In
den 1 bis 8 kann mehr als eine zusätzliche
Scheibe 7 vorgesehen sein.
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Die
Ventilscheibe ist in der Strömung
des zu kühlenden
Mittels angeordnet, um eine bessere Abdichtung zu erzielen.
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Die
Stutzen sind auf der Kanalscheibe und/oder auf der Verstärkungsscheibe
angeordnet wie beispielsweise befestigt, gelötet, geschweißt oder
geklebt oder einteilig verbunden.
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Die
Betätigung
des Ventils erfolgt durch Strom bsp Elektromtor/en und/oder magnetisch,
Hydraulik und/oder Pneumatik.
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Die
Befestigung an der Leitung erfolgt durch einen separaten Flansch
oder einen integrierten Flansch an der Scheibe oder durch eine Schraubverbindung,
Schnellkupplung, Gewinde-Mutter-Verbindung oder mittels Bolzen oder
einer Clipsverbindung. Der Wärmetauscher
kann mittels der zuvorgenannten Möglichkeiten im Fahrzeug befestigt
werden.