DE102009022919A1

DE102009022919A1 - Wärmeübertragereinheit

Info

Publication number: DE102009022919A1
Application number: DE102009022919A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Stoll; Alfredo Ghidini; Stefan MÜLLER-LUFFT; Stefan Laux
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragereinheit, die mittels Platten (1) gebildete Wärmetauscherkanäle (10, 11) für einen Kühlmittelstrom (K) und für einen zu kühlenden bzw. für einen zu temperierenden Strom (S) aufweist und die mit entsprechenden Ein- und Austritten (2, 3, 4, 5) für die Ströme ausgestattet ist. Eine kompakte und kostengünstige Einheit wird erfindungsgemäß dadurch zur Verfügung gestellt, dass die Wärmeübertragereinheit mit einem Kühlmitteleintrittsraum (6) versehen ist, aus dem ein Kühlmittelteilstrom (KT) abzweigbar, durch die zugeordneten Wärmetauscherkanäle (10) leitbar und zum Austritt des Kühlmittelstroms (K) rückführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragereinheit, die mittels Platten gebildete Wärmetauscherkanäle für einen Kühlmittelstrom und für einen zu kühlenden bzw. zu temperierenden Strom aufweist und die mit entsprechenden Ein- und Austritten für die Ströme ausgestattet ist.
Solche Wärmeübertragereinheiten sind beispielsweise aus dem EP 916 816 B1 bekannt. Diese Wärmeübertragereinheit ist als Ölkühler in einem Kraftfahrzeug eingesetzt worden. Das Kühlmittel ist gewöhnlich die Kühlflüssigkeit des Kraftfahrzeugmotors. Von dem den Motor kühlenden Kühlmittelstrom wird ein Teilstrom abgezweigt und zur Ölkühlung herangezogen, der nach erfolgtem Wärmeaustausch mit dem Öl dem Kühlmittelstrom wieder hinzugefügt wird, um dann in einem Radiator rückgekühlt zu werden. Das Abzweigen des Teilstroms erfolgt gewöhnlich mittels entsprechender Ventile oder dergleichen. Der abgezweigte Teilstrom wird oft mittels Leitungen zum Wärmeübertrager hin und zurück transportiert.
Aus dem EP 653 043B ist eine andere aus Platten aufgebaute, kompakte, gehäuselose Wärmeübertragereinheit bekannt, die eine Adapterplatte aufweist. Durch diese Wärmeübertragereinheit strömt ein vorher abgezweigter Kühlmittelteilstrom.
Es ist auch bekannt, Kühlmittelströme unterschiedlicher Temperatur zu mischen und durch den Wärmeübertrager zu schicken, um stets eine optimale resultierende Öltemperatur zur Verfügung stellen zu können. ( EP 787 929 B1 , US 2 070,092 )
Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer kompakten, kostengünstigen Wärmeübertragereinheit, der ein recht großer Volumenstrom zuleitbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich mit einer Wärmeübertragereinheit, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Die erfindungsgemäße Einheit kann entweder ein Gehäuse aufweisen oder sie kann als gehäuselose Konstruktion konzipiert sein, was gegenwärtig die bevorzugte Variante darstellt.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabenstellung wird gemäß einem wichtigen Aspekt dadurch erreicht, dass die Wärmeübertragereinheit mit einem Eintrittsraum für einen ersten Strom ausgestattet ist, aus dem ein Teilstrom abzweigbar, durch die zugeordneten Wärmetauscherkanäle leitbar und vor dem Austritt, also innerhalb der Einheit, in den ersten Strom rückführbar ist. Um eine entsprechende Wärmetauschwirkung zu erzielen, wurde gefunden, dass der Teilstrom etwa 20–80% des Kühlmittelstroms betragen sollte. Der Eintrittsraum ist gemäß einem weiteren Unterscheidungsmerkmal seitlich der Platten bzw. seitlich der daraus gebildeten Wärmetau scherkanäle angeordnet. Das trifft in bevorzugter jedoch nicht in notwendiger Weise auch für den Austrittsraum zu.
Die beschriebene Konstruktion stellt eine kompakte, kostengünstige Einheit dar, weil sie unmittelbar an eine beispielsweise Hauptkühlmittelleitung angeschlossen werden und ohne aufwändige Schaltungsanordnungen den benötigten Kühlmittelteilstrom aus dem Hauptkühlmittelstrom abzweigen kann. Der Teilstrom wird nach erfolgtem Wärmeaustausch noch innerhalb der Wärmeübertragereinheit in den Hauptkühlmittelstrom zurückgeführt, um dann beispielsweise einem Radiator zur Kühlung zugeführt zu werden.
Dieser Vorschlag unterscheidet sich von dem Ölkühler gemäß DE 196 54 365 A1 , in der ein Wärmeübertrager mit Bypässen gezeigt und beschrieben wird, dadurch, dass der vorschlagsgemäße Wärmeübertrager eine Einheit darstellt, in die ein wesentlich größerer Strom (beispielsweise ein Kühlmittelstrom, nämlich vorzugsweise der gesamte Kühlmittelstrom, der beispielsweise eine Brennkraftmaschine durchströmt) eingeleitet wird, als der Teilstrom, der schließlich durch die Kanäle des eigentlichen Wärmeübertragers strömt. In der erwähnten Referenz strömt der gesamte in den Wärmeübertrager eingeleitete Strom, der dort auch ein Kühlmittelteilstrom ist, durch die Kanäle, einschließlich der Bypässe.
Weiterbildende Merkmale der Erfindung sind Inhalt der abhängigen Ansprüche 2–23, die durch diesen Hinweis als an dieser Stelle einzeln aufgeführt angesehen werden sollen.
Darüber hinaus ergeben sich diese und andere unter Umständen wichtige Merkmale und deren Wirkungen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
Die Figuren zeigen Folgendes:
1a und 1b zeigen, teilweise in Explosionsdarstellung, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
2a und 2b zeigen Schnitte durch die Wärmetauschereinheit der bevorzugten Ausführungsform;
3 zeigt einen anderen Schnitt durch die Wärmeübertragereinheit;
4a und 4b zeigen einen Schnitt, ähnlich 2a;
5a und 5b zeigen eine andere Schnittführung AB;
Die 6a und 6b zeigen eine Wärmeübertragereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die 7a, 7b und 7c zeigen eine dritte Ausführungsform.
Aus den 1a, 1b sowie 6a, 6b ist eine Wärmeübertragereinheit ersichtlich, die mittels Platten 1 gebildete Wärmetauscherkanäle 10, 11 für einen Kühlmittelstrom K und für einen zu kühlenden bzw. für einen zu temperierenden Strom S aufweist und die mit entsprechenden Ein- und Austritten 2, 3, 4, 5 für die Ströme ausgestattet ist. Die Wärmeübertragereinheit ist mit einem Kühlmitteleintrittsraum 6 ausgestattet, aus dem ein etwa 20–80% des Kühlmittelstroms umfassender Kühlmittelteilstrom KT abzweigbar, durch die zugeordneten Wärmetauscherkanäle 10 leitbar und vor dem Austritt in den Kühlmittelstrom K rückführbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Kühlmittelteilstrom durchschnittlich etwa 60% des Kühlmittelstroms.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird die Wärmeübertragereinheit als Ölkühler eingesetzt. Oberhalb der Wärmeübertragereinheit befindet sich ein nicht gezeichneter Ölfilter, der vom Öl durchströmt wird. Die oberste Abdeckplatte stellt eine kreisrunde Dichtfläche 50 für den Ölfilter zur Verfügung.
Die Abzweigung des Kühlmittelteilstroms KT erfolgt in bevorzugter Weise mittels einer Blendenplatte 8, die zwischen dem Eintrittsraum 6 und einem Austrittsraum 13 angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass durch einfaches Ersetzen der Blendenplatte 8 durch eine andere Blendenplatte mit einer größeren oder kleineren Öffnung die Wärmeübertragereinheit in gewissem Rahmen an verschiedene Einsatzbedingungen angepasst werden kann. Der Rest der Wärmeübertragereinheit kann unverändert bleiben. Die Blendenplatte 8 besitzt, wie erwähnt, wenigstens eine Blendenöffnung 80, deren Öffnungsrand verstärkt ist. Der Öffnungsrand ist mittels einer Kunststoffbeschichtung oder mittels einer Edelstahlauskleidung versehen. Dazu kann ein Gummi- oder Kunststoffkragen 82 am Öffnungsrand befestigt werden. Alternativ kann man auch einen Kragen 82 aus Edelstahl am Öffnungsrand einpressen oder gar eingießen. Es wurde gefunden, dass bei einer Strömungsgeschwindigkeit von mehr als etwa 2 m/s, die bei einigen Anwendungen auftreten kann, an der Blendenplatte 8, die bevorzugt, wie alle anderen Platten 1 bzw. Einzelteile auch, aus zweckmäßig mit Lot beschichteten Aluminiumblechen hergestellt ist, recht starke Erosionskräfte wirken, denen auf dem beschriebenen Weg begegnet werden soll. (siehe 1, 2 oder 4)
Der Kühlmitteleintrittsraum 6 empfängt den Gesamtkühlmittelstrom, beispielsweise einer nicht dargestellten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine.
Der Austrittsraum 13 bzw. der Austritt 3 des Kühlmittels ist etwa vis-a-vis vom Eintritt 2 des Kühlmittels angeordnet, wodurch Kanäle zur Weiterleitung nicht erforderlich sind. Der Eintrittsraum 6 und der Austrittsraum 13 sowie die Blendenöffnung 80 der Blendenplatte 8 befinden sich seitlich, das heißt, relativ dicht neben dem Plattenstapel bzw. neben dem Stapel aus Plattenpaaren.
Die Einheit enthält auch eine Platte als untere Anschlussplatte 20a mit einer Öffnung, an deren Rand ein Stutzen 21 angeformt ist. Das wird beispielsweise in den 2a und 2b gezeigt. Das Anformen des Stutzens 21 verringert die Anzahl der Einzelteile. Der Stutzen 21 wird mittels Durchziehens des Öffnungsrandes und Einrollens desselben geschaffen, um eine Dichtungsnut bereitzustellen, in der sich ein Dichtring 22 befindet. Damit ist ein abdichtendes Einstecken des Stutzens 21 in eine anlagenseitige Strömungsöffnung ermöglicht worden. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird mittels dieses Stutzens 21 der Kühlmittelstrom K, gemeinsam mit dem Kühlmittelteilstrom KT, in den nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf zurückgeführt. In den anderen Figuren wurde der Stutzen 21 als Einzelteil eingesetzt, der in die Öffnung der Anschlussplatte 20a eingelötet wird. Es gibt ferner eine weitere Platte als obere Anschlussplatte 20b, die den Eintrittsstutzen 2 aufweist. Bezüglich deren Gestaltung kann die vorstehende Beschreibung ebenfalls zutreffen, obwohl in den Zeichnungen der Stutzen 2 als Einzelteil dargestellt ist.
Die Wärmeübertragereinheit gemäß den 6a und 6b weist ein Gehäuse 30 auf, an dem der Kühlmitteleintritt 2 und der Kühlmittelaustritt 3 angeordnet sind. In diesem Fall erstrecken sich die zugeordneten Wärmetauscherkanäle 10 jeweils zwischen zwei Plattenpaaren, wobei in den einzelnen Plattenpaaren 11 der zu kühlende bzw. der zu temperierende Strom strömt. Eine Blendenplatte 8 mit einer Öffnung 80 befindet sich zwischen dem Eintrittsraum 6 und dem Austrittsraum 13 für das Kühlmittel. Wie aus der 6a erkannt werden kann, ist die Blendenplatte 8 in dieser Ausführung nicht komplett eben, wie eine Platte, sondern sie besitzt angepasste Abkantungen, um im Raum 6 entsprechend befestigt werden zu können. Entsprechende Pfeile, die gepunkteten für die Strömung des Kühlmittels und die durchgezogenen für das Öl, wurden auch hier eingezeichnet und veranschaulichen die vorstehende Beschreibung. Der Kühlmittelteilstrom KT tritt in die zugeordneten Wärmetauscherkanäle 10 ein, die in diesem Ausführungsbeispiel als seitlich offene Kanäle zwischen jeweils zwei Plattenpaaren dargestellt sind, durchströmt dieselben und tritt unterhalb der Blendenplatte 8 in den Austrittsraum 13 ein, um die Wärmeübertragereinheit im Kühlmittelstrom K, über den Austritt 3 zu verlassen. Auch bei dieser Ausführung befinden sich der Eintritt und der Austritt seitlich neben den Platten 1.
Vorzugsweise ist die Einheit jedoch ohne Gehäuse 30 ausgebildet, wie es in den restlichen Figuren gezeigt wird. Dabei werden die zugeordneten Wärmetauscherkanäle 10 für den Kühlmittelteilstrom KT und die Wärmetauscherkanäle 11 für den zu kühlenden bzw. zu temperierenden Strom, wie an sich bekannt, aus gestapelten wannenförmigen Platten 1 gebildet, die einen schräg abstehenden Rand aufweisen, an dem die Platten 1 aneinander anliegen und mittels Lötens zu verbinden sind. Der Plattenstapel weist auch wenigstens eine Blendenplatte 8 und eine Adapterplatte 90 auf. Der Kühlmitteleintrittsraum 6 und der von der Blendenplatte 8 teilweise separierte Kühlmittelaustrittsraum 13 sind in der Adapterplatte 90 ausgebildet. Weiterhin ist vom Kühlmitteleintrittsraum 6 abgehend wenigstens ein Zuführkanal 91 zu einem aus Öffnungen in den Platten gebildeten, den Plattenstapel durchsetzenden Verteilerraum für den Kühlmittelteilstrom KT angeordnet. Der Verteilerraum steht in Strömungsverbindung mit den zugeordneten Wärmetauscherkanälen 10 und mit einem in gleicher Weise gebildeten Sammelraum. In gleicher Weise bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Platten 1 weitere Öffnungen aufweisen, die im Plattenstapel den besagten Sammelraum bereitstellen. Außerdem ist, vom Sammelraum abgehend, wenigstens ein Abführkanal 92 vorgesehen, der zum Austrittsraum 13 führt. Auch der Austrittsraum 13 ist in der Adapterplatte 90 ausgebildet. Die Größe des Eintrittsraums 6, des Austrittsraums 13 sowie des Zu- und Abführkanals 91, 92 kann durch Schichtung mehrerer Adapterplatten 90a, 90b, 90c und 90d angepasst werden. Die Adapterplatte/n ist/sind mit dem Plattenstapel verlötet, was, wie aus den Figuren (beispielsweise 5a) ersichtlich, auch für die gesamte Einheit zutrifft. Im Ausführungsbeispiel befindet sich die Blendenplatte 8 zwischen je zwei Adapterplatten.
Die 1a, 2a, und 4 enthalten auch eine ringartige Dichtung 25, die an der Unterseite der Einheit mit Vorsprüngen in entsprechende Öffnungen eingesteckt werden kann, um darin sicher gehalten zu werden und um die Wärmetauschereinheit betriebsbereit zu machen.
In einer in den 7a, 7b und 7c gezeigten weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Adapterplatte 90 durch einen beispielsweise gegossenen Anschlussadapter 90 ersetzt, in dem die beschriebenen Funktionen integriert sind. Bei solchen Ausgestaltungen wird der Anschlussadapter 90 dann mechanisch, mit Einfügen einer Dichtung, am gelöteten Plattenstapel befestigt. Auch bei dieser Ausführung befindet sich unterhalb der Blendenöffnung 80 ein Abführkanal 92, der jedoch in den Darstellungen nicht sichtbar ist. Die Wärmeübertragerplatten 1 können bei dieser Ausführungsform identisch mit der bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 916816 B1 [0002]
- EP 653043 B [0003]
- EP 787929 B1 [0004]
- US 2070092 [0004]
- DE 19654365 A1 [0009]

Claims

Wärmeübertragereinheit, die mittels Platten (1) gebildete Wärmetauscherkanäle (10, 11) für einen ersten Strom (K), beispielsweise für einen Kühlmittelstrom (K), und für einen zweiten Strom (S), beispielsweise für einen zu kühlenden bzw. zu temperierenden Strom (S), aufweist und die mit entsprechenden Ein und Austritten (2, 3, 4, 5) für die Ströme (K, S) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit einen Eintrittsraum (6) für den ersten Strom (K) aufweist, aus dem ein Teilstrom (KT) abzweigbar, durch die zugeordneten Wärmetauscherkanäle (10) leitbar und innerhalb der Einheit zum Austritt (3) des ersten Stroms (K) rückführbar ist.
Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (KT) mittels einer Blendenplatte (8) abzweigbar ist, die zwischen dem Eintrittsraum (6) und einem Austrittsraum (13) angeordnet ist.
Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenplatte (8) wenigstens eine Blendenöffnung (80) besitzt, deren Öffnungsrand verstärkt ist.
Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsrand mittels einer Gummi- oder Kunststoffbeschichtung oder mittels einer Edelstahlauskleidung vor Erosion geschützt ist.
Wärmeübertragereinheit nach den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleintrittsraum (6) den Gesamtstrom einer beispielsweise flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine empfängt.
Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (3) des ersten Stroms etwa vis-a-vis vom Eintritt (2) des ersten Stroms (K) angeordnet ist.
Wärmeübertragereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit wenigstens eine Platten (20) mit einer Öffnung enthält, an deren Rand ein Stutzen (21) angeformt ist, der in eine Strömungsöffnung einsteckbar ist.
Wärmeübertragereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsraum (6) seitlich der Platten (1) bzw. der Wärmetauscherkanäle (10, 11) angeordnet ist.
Wärmeübertragereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit ein Gehäuse (30) aufweist, an dem der Eintritt (2) und der Austritt (3) angeordnet sind.
Wärmeübertragereinheit nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, die zugeordneten Wärmetauscherkanäle (10) sich jeweils zwischen Plattenpaaren erstrecken, wobei in den Plattenpaaren der zu kühlende bzw. der zu temperierende Strom strömt.
Wärmeübertragereinheit nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit ohne Gehäuse (30) ausgebildet ist.
Wärmeübertragereinheit nach den Ansprüchen 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Wärmetauscherkanäle (10) für den Teilstrom (KT) und die Wärmetauscherkanäle (11) für den zu kühlenden bzw. zu temperierenden Strom (S) aus gestapelten wannenförmigen Platten (1) gebildet sind.
Wärmeübertragereinheit nach den Ansprüchen 1, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenstapel wenigstens eine Blendenplatte (8) und eine Adapterplatte (90) umfasst.
Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenplatte (8) eine Rückströmöffnung (81) aufweist.
Wärmeübertragereinheit nach den Ansprüchen 1 und 11–14 dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsraum in der Adapterplatte (90) ausgebildet ist.
Wärmeübertragereinheit nach den Ansprüchen 1 und 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass vom Eintrittsraum wenigstens ein Zuführkanal (91) zu einem aus Öffnungen in den Platten (1) gebildeten, den Plattenstapel durchsetzenden Verteilerraum angeordnet ist, wobei der Verteilerraum in Strömungsverbindung mit den zugeordneten Wärmetauscherkanälen (10) und mit einem in gleicher Weise gebildeten Sammelraum steht.
Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass vom Sammelraum wenigstens ein Abführkanal (92) zum Austrittsraum führt.
Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsraum in der Adapterplatte ausgebildet ist.
Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 11–18, dadurch gekennzeichnet, dass die Adapterplatte (90) aus mehreren einzelnen Platten (90a, b, c, d) besteht.
Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 11–19, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenplatte (8) zwischen mehreren Adapterplatten angeordnet ist.
Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 11–19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal und der Abführkanal in mehreren Adapterplatten ausgebildet ist.
Wärmeübertragereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Platten als Anschlussplatte (20) ausgebildet ist, an deren Öffnung ein Stutzen (21) angeformt ist.
Wärmeübertragereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adapterplatte (90) mit dem Plattenstapel entweder verlötet oder mechanisch dicht verbunden ist.