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Die
Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere zur Abwärmenutzung
einer Verbrennungskraftmaschine durch die Verdampfung eines Arbeitsmittels
für den Betrieb eines Dampfmotors, sowie ein Herstellungsverfahren
für einen solchen Wärmetauscher.
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Abwärmenutzungssysteme
verwenden die Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine zum Verdampfen
eines Arbeitsmittels, das unter Freisetzung mechanischer Leistung
in einem Expander entspannt. Nachfolgend zum Expander wird die Dampfphase
des Arbeitsmittels kondensiert und wieder dem Wärmetauscher
zugeführt. Mögliche Wärmequellen einer
Verbrennungskraftmaschine zum Aufheizen des Verdampfers sind der
Abgas- oder der Kühlmittelstrom. Weitere Wärmequellen
ergeben sich durch die Abgasrückführung und Ladeluftkühlung
von Fahrzeugmotoren sowie die Zwischenkühlung bei mehrstufiger
Aufladung. Alternativ oder zusätzlich kann eine separate
Brennereinheit vorgesehen werden.
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Abwärmenutzungssysteme
können vorteilhaft durch die wenigstens teilweise Nutzung
der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine den Gesamtwirkungsgrad
eines Antriebs verbessern. Diesem Vorteil steht gegenüber,
dass die Komponenten des Dampfmotors das Gesamtgewicht des Fahrzeugs
erhöhen und darüber hinaus zusätzlichen Bauraum
beanspruchen. Wärmetauscher als eine Komponente eines Abwärmenutzungssystems
müssen daher effizient, kleinbauend und an die jeweilige Anwendung
anpassbar sein.
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Wärmetauscher
mit einem ein Rohrbündel umfassendes Heizregister sind
bekannt. Für eine erste Gestaltung werden die Außenwandungen
der Rohrbündel vom Wärmeträgermedium
umströmt. Für eine Weitergestaltung sind sowohl
für das Arbeitsmittel als auch für das Wärmeträgermedium
hydraulisch getrennte Strömungskanalsysteme vorgesehen. Hierzu
wird exemplarisch auf die
GB
1084292 A verwiesen. Aus dieser Druckschrift geht ein Plattenwärmetauscher hervor,
der aus einer alternierend angelegten Stapelfolge von zwei Plattentypen
aufgebaut ist. Ein erster Plattentyp führt das Wärmeträgermedium,
der zweite Plattentyp das zu verdampfende Arbeitsmittel. Die Strömungskanäle
in den beiden Plattentypen sind als einseitig offene Kanäle
angelegt, die jeweils von der geschlossenen Seite der benachbarten
Platte abgedeckt werden. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist,
dass die Strukturierung der einzelnen Platten mit einem hohen Fertigungsaufwand
verbunden ist. Dies gilt insbesondere für die Herstellung
eines vielfach verzweigten Kanalsystems in einer Platte, um eine
möglichst turbulente Führung des jeweiligen Mediums
zu bewirken. Des Weiteren muss das für das zu verdampfende
Arbeitsmittel verwendete Muster der Strömungskanäle
an die Dimensionierung des Abwärmenutzungssystems und den für
die jeweilige Anwendung zur Verfügung stehenden thermischen
Leistungseintrag angepasst werden. Dies setzt meist eine individuelle
Musteranpassung voraus, was wiederum aufwendig ist. Ferner sind
für die bekannten Plattenwärmetauscher aufgrund
der Ausdehnung der Wandungsflächen hohe, aus dem Dampfdruck
resultierende Kräfte aufzufangen. Folge dieser hohen mechanischen
Belastungen sind großbauende, entsprechend schwere Verdampfer.
Des Weiteren sind Flachrohrverdampfer in Serpentinenbauweise bekannt.
Hierzu wird exemplarisch auf die
DE
10260107 verwiesen.
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Ferner
ist aus der
DE 19991048222 ein
Wärmetauscher in Form eines Plattenstapels bekannt, für
den die Strömungskanäle zur Führung des
Wärmeträgermediums und jene zur Aufnahme des Arbeitsmittels
mit unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sind. Dabei weisen
die Arbeitsmittelkanäle vorteilhaft kleine Querschnitte
auf, um dem sich an den Wandungen der Arbeitsmittelkanäle
ausbildenden Dampffilm entgegenzuwirken, der den Wärmeübertrag
in die Flüssigphase unerwünscht vermindert (Leidenforst-Phänomen).
Hierzu wird vorgeschlagen, jeweils zwei Plattenflächen
mit fischgrätmusterartigen Kanalstrukturen in flächige
Anlage zu bringen. Für die Strömungskanäle
zur Führung des Wärmeträgermediums werden
gekreuzte Kanalstrukturen für die aneinander anliegenden
Platten verwendet, sodass ein möglichst großer
freier Querschnitt entsteht. Für die schmalen Arbeitsmittelkanäle
wird eine Parallelanordnung ineinandergreifender Strukturen für
die verdampferseitige Volumenreduktion bevorzugt. Nachteilig ist
der hieraus resultierende konstruktive Aufwand. Dabei sind insbesondere
für die Parallelanordnung der Kanäle Abstandshalter
notwendig. Des Weiteren sind die Skalierbarkeit und die individuelle
Querschnittsanpassung sowie die gewünschte Kanalaufweitung
zur Aufnahme der Dampfphase nur in unzureichendem Maße
möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher,
insbesondere zur Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine
anzugeben, der einen effizienten Wärmeübertrag
von einem Heizmedium auf ein im Wärmetauscher zu verdampfendes
Arbeitsmittel ermöglicht. Dabei sollte der Wärmetauscher
kompaktbauend ausgebildet sein und zusätzlich eine hohe
Standfestigkeit gegenüber den bei Fahrzeuganwendungen typischerweise
auftretenden Vibrationen und Stößen aufweisen.
Des Weiteren soll sich der Verdampfer durch eine kleine Baugröße
und durch eine verbesserte Skalierbarkeit auszeichnen. Die Skalierbarkeit
soll für den Durchsatz an Heizmedium und Arbeitsmittel
sowie den Volumenstrom in der Dampfphase des Arbeitsmittels gegeben
sein. Ferner wird eine einfache Anpassbarkeit des Verdampfers an
einen bestimmten Fahrzeugtyp sowie an unterschiedliche Druckanforderungen
gewünscht. Außerdem sollte das Arbeitsmittel beim
Betrieb des Wärmetauschers in flüssiger Form in
diesen eintreten und als überhitzte Dampfphase wieder austreten.
Dabei sollten auch Arbeitsmedien mit korrosiver Wirkung bei Betriebsdrücken
von 60–100 bar und darüber sicher im Wärmetauscher geführt
werden.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst
zwei unterschiedlichen Funktionsschichten, die eine alternierende
Stapelfolge bilden. Dabei handelt es sich zum einen um Führungsschichten
für das Heizmedium und zum anderen um Führungsschichten
für das Arbeitsmittel. Die Führungsschicht für
das Arbeitsmittel umfasst eine strukturierte Kanalplatte, in der
in Mäanderform angelegte Durchgangsöffnungen vorliegen.
Unter Durchgangsöffnungen werden Durchbrüche durch
die Kanalplatte verstanden, die durch die gesamte Dickenerstreckung
der Kanalplatte von der Oberseite bis zur Unterseite reichen. Derartige
Durchgangsöffnungen lassen sich in den bevorzugt zur Ausbildung
der Kanalplatte verwendeten Blechen mit einer Stärke von
bevorzugt 0,2–2 mm, besonders bevorzugt 0,3–1,5
mm, mittels eines Stanzverfahrens oder einem anderen geeigneten Strukturierungsverfahren,
beispielsweise mittels eines Laserschneid- oder Ätzverfahrens
herstellen. Auch Fräsverfahren oder die Verwendung extrudierter
Komponenten sind denkbar.
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Zur
Ausbildung eines Arbeitsmittelkanals wird jede Kanalplatte auf der
Oberseite und der Unterseite mit einer Deckplatte versehen, die
mit der Kanalplatte im eingebauten Zustand stoffschlüssig verbunden
sind. Hierbei wird zur Herstellung des Stoffschlusses insbesondere
eine Lötverbindung, etwa aus einem Ni-Lot oder einem Cu-Lot
verwendet. Die Deckplatten sind so strukturiert, dass jeder Arbeitsmittelkanal
mit einem Zulauf und einem Ablauf versehen ist. Dabei können
alle Arbeitsmittelkanäle hydraulisch verbundene Zu- und
Abläufe aufweisen.
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Durch
die Strukturierung der Kanalplatte in Verbindung mit den Deckplatten
entsteht ein flacher Arbeitmittelkanal, der das zunächst
flüssig eintretende Arbeitsmittel relativ zur Bewegungsrichtung
des Heizmediums im Kreuzgegenstrom führt. Durch das Mäandrieren
resultiert ferner eine für die Verdampfung und Nachüberhitzung
hinreichende Länge des Arbeitsmittelkanals. Erfindungsgemäß ermöglichen die
Durchbrüche in der Kanalplatte durch eine Anpassung ihrer
Breite senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsmittels
eine Einstellmöglichkeit des freien Querschnitts des Arbeitsmittelkanals.
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Hierzu
weist der Arbeitsmittelkanal einen vom Zulauf ausgehenden ersten
Abschnitt mit einem ersten freien Querschnitt auf sowie, in Strömungsrichtung
nachfolgend, einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten freien Querschnitt,
wobei der zweite freie Querschnitt weiter gewählt ist als
der erste freie Querschnitt. Hierdurch wird erreicht, dass im Bereich des
Arbeitsmittelkanals, in dem der Phasenwechsel des Arbeitsmittels
eintritt, eine Querschnittsaufweitung angelegt ist. Dadurch wird,
ausgehend von einer Druckvorgabe für das Arbeitsmittel,
eine Anpassung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittelkanals
im ersten Abschnitt und im zweiten Abschnitt des Arbeitsmittelkanals
möglich, sodass der zweite Abschnitt, der das verdampfte
Arbeitsmittel führt, effektiv zur Nacherhitzung der Dampfphase verwendet
werden kann.
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Darüber
hinaus wird bevorzugt, die Querschnittserweiterung beim Übergang
vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt des Arbeitsmittelkanals
zu einer im Wesentlichen sprunghaft erfolgenden Druckveränderung
zu nutzen, sodass in diesem Übergangsbereich das Arbeitsmittel
nahezu vollständig verdampft und keine weiteren Vorkehrungen
im Wärmetauscher zur Abzweigung eines nicht verdampften
Kondensatanteils des Arbeitsmittels zu treffen sind.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit Figurendarstellungen beschrieben, in denen im Einzelnen Folgendes
dargestellt ist:
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1 zeigt
eine Teilansicht der Stapelfolge eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers in Explosionsdarstellung.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf eine Kanalplatte mit einer mäandrierenden
Durchgangsöffnung.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers.
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4 zeigt
den seitlichen Abschluss der Stapelfolge eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers in Explosionsansicht.
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1 zeigt
einen Teilabschnitt der Stapelfolge 1 eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers, die durch eine alternierende Anordnung
von Führungsschichten für das Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3 und
Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1, 3.2, 3.3 gebildet
wird. Die Fortsetzung der Stapelfolge 1 mit weiteren Führungsschichten
ist im Einzelnen nicht dargestellt.
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Jede
der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1, 3.2, 3.3 ist
aus einander flächig kontaktierenden Einzelkomponenten
aufgebaut. Dabei ist zentral in jeder Führungsschicht für
das Arbeitsmittel 3.1, 3.2, 3.3 jeweils
eine Kanalplatte 4.1, 4.2, 4.3 angeordnet.
Eine solche Kanalplatte 4 wird in 2 als separate
Seitenansicht dargestellt.
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Die
Kanalplatte 4 umfasst eine Durchgangsöffnung 5,
die durch ihre gesamte Dickenerstreckung hindurchreicht und welche
von einem Zulauf 7 ausgeht und in einen Ablauf 8 mündet.
Dabei verändert sich die Breite der Durchgangsöffnung 5 zwischen dem
Zulauf 7 und dem Ablauf 8. Zunächst liegt
nach dem Zulauf 7 ein erster Abschnitt 9 mit einem
ersten freien Querschnitt 10 vor, der im weiteren Verlauf
in einen zweiten Abschnitt 11 mit einem zweiten freien Querschnitt 12 übergeht.
Dabei ist der zweite freie Querschnitt 12 gegenüber
dem ersten freien Querschnitt 10 aufgeweitet.
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Werden
der Kanalplatte 4 ein Paar seitlich abschließender
Deckplatten 6.1–6.6 zugeordnet, entsteht
ein Arbeitsmittelkanal 14 mit zwei unterschiedlichen Abschnitten,
die sich bezüglich des Querschnitts unterscheiden. Durch
die Aufweitung des Querschnitts wird in jenem Bereich des Arbeitsmittelkanals 14,
in dem die Verdampfung des Arbeitsmittels eintritt, ein vergrößertes
Aufnahmevolumen für die Dampfphase geschaffen, sodass die
Strömungsgeschwindigkeit nach dem erfolgten Phasenwechsel nicht
unerwünscht ansteigt und im zweiten Abschnitt 11 des
Arbeitsmittelkanals eine effiziente Nachüberhitzung der
Dampfphase bewirkt werden kann. Ferner ermöglicht die Querschnittserweiterung
im Arbeitsmittelkanal 16, den Ort des Phasenwechsels besser
lokalisieren zu können.
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Bevorzugt
bestehen die Kanalplatten 4.1, 4.2 und 4.3 sowie
die jeweils zugeordneten Deckplatten 6.1–6.6 aus
einem dünnwandigen Blechmaterial, wobei die Blechstärke
bevorzugt im Bereich von 0,2–2 mm und besonders bevorzugt
im Intervall von 0,3–1,5 mm gewählt ist. Als Material
wird entweder Edelstahl oder eine Aluminiumlegierung bevorzugt. Dabei
können die mäanderförmig ausgebildeten Durchgangsöffnungen 5 in
den jeweiligen Kanalplatten 4.1, 4.2, 4.3 mittels
eines geeigneten Strukturierungsverfahrens angelegt werden. Hierfür
kommt insbesondere ein Stanzverfahren oder eine Strukturierung mittels
eines Ätzverfahrens oder eines Fräsverfahrens
in Frage. Ferner können vorteilhafterweise Laser zur Strukturierung
eingesetzt werden.
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Die
in 1 dargestellten Kanalplatten 4.1, 4.2, 4.3 und
die jeweils zugehörigen Deckplatten 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6 sind
im betriebsfertigen Zustand vorzugsweise stoffschlüssig
verbunden. Dies gilt für eine vorteilhafte Ausgestaltung
auch für die weiteren Komponenten der Stapelfolge 1,
die zur Bildung der Führungsschichten für das
Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3 dienen. Der
Stoffschluss kann beispielsweise durch eine Hartlotverbindung mittels
eines Ni-Lots oder eines Cu-Lots ausgeführt werden. Alternativ
ist eine Schweißverbindung denkbar.
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Dabei
wird die stoffschlüssige Verbindung durch die flächige
Ausbildung der Kanalplatte 4 begünstigt, sodass
hinreichend große Anlagebereiche am Rand der jeweiligen
Kanalplatte 4 und im Bereich der Zwischenstege zwischen
den einzelnen mäandrierenden Zweige der Durchgangsöffnung 5 vorliegen,
die zunächst in Anlage zu den jeweils seitlich angrenzenden
Deckplatten 6.1–6.6 gebracht werden und
dann unter Anwendung von Druck und mittels einer thermischen Behandlung
eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Für
ein bevorzugtes Herstellungsverfahren werden zunächst alle
Komponenten der Führungsschichten für das Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3 sowie
der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1, 3.2, 3.3 in
die Stapelfolge 1 aufgenommen und in einem weiteren Schritt
zentriert. Nachfolgend wird die Stapelfolge 1 durch Kraftbeaufschlagung
in Stapelrichtung gesichert. Durch eine vorzugsweise thermische
Behandlung bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1250°C
entsteht dann der gewünschte Stoffschluss der Komponenten
der Stapelfolge 1 des Wärmetauschers.
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Die
Führungsschichten für das Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3 entstehen
durch die Schaffung eines Zwischenraums zu den benachbarten Führungsschichten
für das Arbeitsmittel 3.1, 3.2, 3.3.
In der Stapelfolge 1 sind für diesen Zweck Abstandshalter 13.1, 13.2 vorgesehen,
die so ausgebildet sind, dass die Zuläufe 7 aller
Kanalplatten 4.1, 4.2, 4.3 hydraulisch
miteinander verbunden sind. Entsprechendes gilt für die
Abläufe 8 der Kanalplatten 4.1, 4.2, 4.3. Ferner
stellen die Abstandshalter 13.1, 13.2 den mediendichten
Abschluss der jeweiligen Führungsschichten für
das Arbeitsmittel 3.1, 3.2, 3.3 quer
zu Durchströmungsrichtung sicher.
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Außerdem
wird bevorzugt, für jede Führungsschicht für
das Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3 ein Strömungsleitblech 14 vorgesehen,
das im einfachsten Fall eine gewellte Struktur ist, die in Längsrichtung,
das heißt der Durchströmungsrichtung für
das Heizmedium, Strömungskanäle bildet. Die Strömungsleitbleche 14 dienen
der Verbesserung des Wärmeübertrags zu den angrenzenden
Deckplatten 6.1–6.6. Des Weiteren können
die Strömungsleitbleche 14 mit einer zusätzlichen
Funktionsbeschichtung versehen sein, die beispielsweise dem Korrosionsschutz
dient oder eine katalytische Wirkung aufweist.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers, durch die das Heizmedium eintritt oder
austritt. Ersichtlich ist wiederum die alternierende Stapelfolge
der Führungsschichten für das Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3,
..., 2.8 und der Führungsschichten für
das Arbeitsmittel 3.1, 3.2, 3.3, ..., 3.9.
Zusätzlich sind die Randplatten 15.1 und 15.2 dargestellt,
die die Seitenwandungen des Wärmetauschers bilden. Für
eine bevorzugte Ausgestaltung sind diese mit einer thermischen Isolation
versehen.
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Der
seitliche Abschluss der Stapelfolge 1 ergibt sich ferner
aus der vergrößert dargestellten Explosionsdarstellung
der 4. Gezeigt ist die an die Randplatte 15 angrenzende
Kanalplatte 4.4 mit der darin angelegten Durchgangsöffnung 5.
Diese wird über den Zulauf 7 mit einem Arbeitsmittel
als Flüssigphase beschickt, die stromaufwärts
im Arbeitsmittelkanal 16 verdampft. Die zweite Seitenfläche
der Kanalplatte 4.4 wird durch die Deckplatte 6.7 im
Betriebszustand verschlossen. Dabei weist die Deckplatte 6.7 eine
zum Zulauf 7 in der Kanalplatte 4.4 fluchtende
Durchgangsöffnung 17.1 auf. Eine übereinstimmende
Durchgangsöffnung 17.2 ist im Abstandhalter 13.2 angelegt.
Dieser bildet zusammen mit dem Abstandshalter 13.1 und
dem Strömungsleitblech 14 die unmittelbar angrenzende
Führungsschicht für das Heizmedium 2.4.
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Die
voranstehend erläuterten Ausführungsbeispiele
der Erfindung betreffen die Verwendung ebener Komponenten in der
Stapelfolge 1. Es sind jedoch vorteilhafte Ausgestaltungen
denkbar, für die die Führungsschichten für
das Heizmedium und die Führungsschicht für das
Arbeitsmedium gekrümmt ausgeführt sind. Vorteilhaft
sind insbesondere zylindrische Komponenten, die, koaxial angeordnet,
eine rohrförmige Baukomponente eines Fahrzeugantriebs umschließen.
Dies kann ein Partikelfilter eines Dieselmotors sein, der zugleich
als Energiespeicher dient, da bei einer thermischen Filterreinigung
angelagerter Rußpartikel eine hohe Wärmemenge
frei wird. Ferner ist es denkbar den Wärmetauscher zur Kühlung
einer Fahrzeugkomponente, etwa der Katalysatoreinheit eines Ottomotors,
zu verwenden. Für beide Anwendungsfälle kann auf
die Führungsschichten für das Heizmedium verzichtet
werden, wenn ein direkter thermischer Kontakt zwischen der jeweiligen
Fahrzeugkomponente und der angrenzenden Führungsschicht
für das Arbeitsmittel hergestellt wird. Zylindrisch ausgebildete
Stapelfolgen sind im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. Dabei kann insbesondere
die Durchmischung des Heizmediums in der Führungsschicht
für das Heizmedium und des Arbeitsmittels in der Führungsschicht
für das Arbeitsmittel durch Elemente zur Erzeugung von
Strömungswirbeln verbessert werden. Zu diesem Zweck kann
die Oberflächenrauigkeit der Wandungen der medienführenden
Kanäle erhöht werden. Ferner sind im Einzelnen
nicht näher dargestellte Ausgestaltungen mit gerippten
Wandungskonturen für die Durchgangsöffnung 5 in
den Kanalplatten 4.1–4.4 zur Durchmischungsförderung vorteilhaft.
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- 1
- Stapelfolge
- 2.1,
2.2, 2.3,
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- 2.4,
..., 2.8
- Führungsschicht
für das Heizmedium
- 3.1,
3.2, 3.3, 3.4, ..., 3.9
- Führungsschicht
für das Arbeitsmittel
- 4.1,
4.2, 4.3, 4.4
- Kanalplatte
- 5
- Durchgangsöffnung
- 6.1,
6.2, 6.3, 6.4, ..., 6.7
- Deckplatte
- 7
- Zulauf
- 8
- Ablauf
- 9
- erster
Abschnitt
- 10
- erster
freier Querschnitt
- 11
- zweiter
Abschnitt
- 12
- zweiter
freier Querschnitt
- 13.1,
13.2
- Abstandshalter
- 14
- Strömungsleitblech
- 15,
15.1, 15.2
- Randplatte
- 16
- Arbeitsmittelkanal
- 17.1,
17.2
- Durchgangsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 1084292
A [0004]
- - DE 10260107 [0004]
- - DE 19991048222 [0005]