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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit zwei gegenüberliegend angeordneten Platten, die bereichsweise voneinander beabstandet sind und bereichsweise miteinander verbunden sind und zwischen denen ein durchströmbarer Hohlraum gebildet ist.
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Derartige Wärmetauscher zeichnen sich durch eine sehr flache Bauweise im Bereich von wenigen Millimetern (mm) bis einigen Zentimetern (cm) aus. Sie können vielseitig eingesetzt werden, zum Beispiel als flüssigkeitsdurchströmte Wärmetauscher zur Klimatisierung von Räumen und Gebäuden. Die flache Bauweise prädestiniert diese Wärmetauscher beispielsweise für eine Verwendung als Deckenelement für eine Kühldecke. Auch ein effizienter Einsatz im Bereich der Solarthermie ist möglich.
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Zur Herstellung solcher Wärmetauscher ist zum Beispiel aus der Druckschrift
DE 197 40 818 A1 bekannt, vorgeformte Bleche als Platten im Randbereich und an einer Vielzahl von gleichmäßig über die Fläche der Bleche verteilten Verbindungsstellen miteinander zu verschweißen. Die auf der Fläche angeordneten Verbindungsstellen verhindern eine Verformung („aufblähen”) des Wärmetauschers durch eine Druckdifferenz des durchströmenden Mediums zum Umgebungsdruck. Das Schweißverfahren ist jedoch nicht für alle Werkstoffe gleichermaßen geeignet. Insbesondere Kupfer- oder Aluminiumbleche, die aufgrund der guten Wärmeleitung gegenüber (Edel-)Stahl für Wärmetauscher bevorzugt sind, ist Schweißen nicht möglich bzw. aufwändig.
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Aus der Druckschrift
EP 1 204 495 B1 ist als alternative Verbindungsart für einen derartigen Wärmetauscher bekannt, die beiden Bleche des Wärmetauschers an den innerhalb der Flächen der Bleche liegenden Verbindungsstellen durch eine Materialverformung ineinander zu verzahnen. Diese Verbindungsart kann jedoch nur bei ausreichend duktilen Materialen eingesetzt werden. Da die Verbindung zudem nicht großflächig dichtend ausgeführt werden kann, kann sie nicht im Randbereicht der Bleche zur Abdichtung des durchströmten Hohlraums gegenüber der Umgebung eingesetzt werden. Hierfür ist eine alternative Verbindungsart, zum Beispiel ein Verlöten, vorgesehen. Der Einsatz verschiedener Verbindungstechniken verkompliziert jedoch den Herstellungsvorgang.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die gegenüberliegenden Platten auf ein Art miteinander verbunden sind, die sich sowohl für den Randbereich als auch für in der Fläche liegende Verbindungsstellen eignet und die in einem einfachen Herstellungsverfahren universell für eine Vielzahl von Materialien der Platten eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich der Wärmetauscher der eingangs genannten Art dadurch aus, dass die Platten zumindest zwei benachbarte nach innen gerichtete streifenförmige und lateral beabstandete Einbuchtungen aufweisen. In den zwischen den Einbuchtungen liegenden Raum ist ein Kleberstrang zur Verbindung der beiden Platten eingebracht.
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Die Einbuchtungen definieren einerseits den Abstand der beiden Platten für Schaffung des durchströmten Hohlraums und formen andererseits einen zwischen ihnen liegenden Raum, der einen Kleberstrang aufnimmt. Der Kleber dient sowohl der Verbindung als auch der Abdichtung der beiden Platten. Diese Verbindungsart ist bei geeignetem Kleber universell mit verschiedensten Plattenmaterialien einsetzbar und kann sowohl im Randbereich als auch innerhalb der Flächen der Platten eingesetzt werden. Durch die Einbuchtungen kommt der Kleberstrang zudem so gut wie gar nicht mit dem durch den Hohlraum strömenden Medium in Berührung, was zu einer langen Lebensdauer des Wärmetauschers führt, da mechanische Auswaschungen am Kleberstrang verhindert werden.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von sechs Figuren näher erläutert
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Die Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers,
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2 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines Wärmetauschers,
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3 eine Schnittansicht durch ein Verbindungselement eines Wärmetauschers in einer Detailansicht,
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4 eine Schnittdarstellung durch den Randbereich eines Wärmetauschers in einer Detailansicht,
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5 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Wärmetauschers und
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6 eine Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt eines Wärmetauschers in einer Detailansicht.
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1 zeigt in einer perspektivischen Schrägansicht einen Wärmetauscher 1, aufweisend eine obere Platte 10, eine im Wesentlichen parallel dazu angeordnete untere Platte 20 und zwei Zu- und Ablaufanschlüsse 30. Der Wärmetauscher 1 weist einen Randbereich 2 sowie eine dazwischen liegende Fläche 3 auf. Innerhalb der Fläche 3 sind in regelmäßigen Abständen ringförmige Verbindungselemente 4 angeordnet.
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Die obere Platte 10 weist angrenzend an den Randbereich 2 an zwei gegenüberliegenden Seiten nach außen ausgeprägte Verteilerkanäle 11 auf, in die jeweils ein Zu- und Ablaufanschluss 30 an diagonal gegenüberliegenden Ecken des Wärmetauschers 1 montiert ist.
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Im Betrieb des Wärmetauschers 1 wird dieser von einem Wärmetauschmedium, üblicherweise einer Flüssigkeit wie z. B. Wasser durchströmt, wobei das Medium durch einen der Zu- und Ablaufanschlüsse 30 eingebracht wird, sich im entsprechenden Verteilerkanal 11 entlang einer Seitenkante des Wärmetauschers 1 verteilt und dann den Wärmetauscher 1 im Bereich der Fläche 3 durch einen zwischen der oberen Platte 10 und der unteren Platte 20 gebildeten Hohlraum großflächig durchströmt. Nach Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme im Wärmetauscher 1 sammelt sich das Medium im gegenüberliegenden Verteilerkanal 11 und verlässt den Wärmetauscher 1 durch den zweiten Zu- bzw. Ablaufanschluss 30.
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In der 1 ist der Wärmetauscher 1 in einen Zwischenstadium seiner Herstellung dargestellt. Von der unteren Platte 20 ist ein abgekanteter Rand 21 sichtbar, der die äußere Kante der eingelegten oberen Platte 10 an allen vier Seiten umgibt. Bei einem fertig gestellten Wärmetauscher 1 wird der abgekantete Rand 21 an den Seiten nach Innen umgefalzt, so dass die untere Platte 20 mit diesem abgekanteten Rand 21 den Randbereich der oberen Platte 10 umfasst.
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Der in 1 gezeigte Wärmetauscher ist als Deckenelement für eine Strahlungskühlung eines Gebäudes konzipiert. Seine Abmaße sind etwa 60 × 60 cm in Breite und Länge, wohingegen der Abstand der oberen Platte 10 und der unteren Platte 20 im Bereich der Fläche 3 etwa 2 mm beträgt. Die Materialstärke der Platten 10, 20 liegt dabei im Bereich von 1 bis 2 mm, so dass sich im Bereich der Fläche 3 eine Gesamtbauhöhe von einigen Millimetern ergibt. Im Bereich der Verteilerkanäle 11 liegt die Bauhöhe bei etwa 1–2 cm. Die Platten 10, 20 sind aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt, z. B. aus Kupfer oder, aufgrund des geringen Gewichts bevorzugt, aus Aluminium.
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In 2 ist ein Ausschnitt eines Wärmetauschers 1 in einem Schnittbild dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in allen Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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In der Schnittdarstellung ist der durchströmbare Hohlraum (Bezugszeichen 5) ersichtlich, der zwischen der oberen Platte 10 und der unteren Platte 20 im Verteilerkanal 11 sowie im Bereich der Fläche 3 des Wärmetauschers 1 gebildet ist. Weiterhin ist eine Mehrzahl von eingeprägten Einbuchtungen im Randbereich 2 sowie im Bereich der Verbindungselemente 4 zu erkennen, die im Folgenden detaillierter beschrieben werden.
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Im Randbereich 2 sind in die obere Platte 10 zwei Einbuchtungen 12 und 13 eingeprägt. Gemessen an der ursprünglichen Ebene der oberen Platte 10, die zum Beispiel links und rechts des Verbindungsstücks 4 und links und rechts des Verteilerkanals 11 zu sehen ist, weisen die Einbuchtungen 12, 13 nach innen, also in Richtung der unteren Platte 20. Die beiden Einbuchtungen 12 und 13 sind lateral voneinander beabstandet und im Wesentlichen parallel zueinander. Sie sind streifen- oder linienförmig umlaufend entlang des gesamten Rands des Wärmetauschers 1 ausgeführt. Durch die beiden eingeprägten Einbuchtungen 12 und 13 verbleibt zwischen diesen ein nach unten geöffneter graben- bzw. tunnelförmiger Raum, in dem sich ein Kleberstrang 40 befindet. Der Kleberstrang 40 dient zum einen der Verbindung der oberen und unteren Platte 10, 20 und zum anderen der Abdichtung des durchströmbaren Hohlraum 5 nach außen. Die beiden Einbuchtungen 12, 13 sind gleich tief ausgeführt, wodurch die beiden Platten 10, 20 links und rechts neben dem Kleberstrang 40 aufeinander aufliegen. Damit kommt der Kleberstrang 40 nur in einer verschwindend kleinen Kontaktfläche mit dem durch den Hohlraum 5 strömenden Medium in Berührung. Auch bei einem gegenüber dem benutzten Medium chemisch resistenten Kleberstrang 40 ist dieses der Haltbarkeit des Wärmetauschers 1 förderlich, da mechanische Auswaschungen am Kleberstrang 40 verhindert werden. Als Klebermaterial ist beispielsweise Ein- oder Zwei-Komponentenkleber auf Epoxydharz-Basis geeignet.
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Die Einbuchtung 12 ist am äußeren Rand der oberen Platte 10 angeordnet. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 ist hier im Beispiel der 2 der abgekantete Rand 21 der unteren Platte 20 bereits umgefalzt und umgreift den Rand der oberen Platte 10. Die Umfalzung stellt eine weitere Verbindung der beiden Platten 10, 20 dar und dichtet diese zusätzlich nach außen hin ab. Zudem wird der Rand des Wärmetauschers 10 abgerundet, was Verletzungen an einem scharfkantigen Rand bei der Montage vorbeugt.
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Auch im Bereich der Verbindungselemente 4 werden durch Einbuchtungen Volumen definiert, in denen Kleberstränge zur Verbindung der Platten 10, 20 und zur Abdichtung eingebracht sind. Die Verbindungselemente 4 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel kreisrund ausgeführt. Dieses ist lediglich beispielhaft, auch eine ovale, quadratische, rechteckige oder ähnliche Ausführung ist möglich.
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Im Zentrum der Verbindungselemente 4 ist in die untere Platte 20 eine kreisrunde, topfförmige Einbuchtung 22 eingeprägt. In die obere Platte 10 ist konzentrisch mit der Einbuchtung 22 eine ringförmige Einbuchtung 14 eingebracht, wobei der innere Durchmesser der ringförmigen Einbuchtung 14 größer ist als der der Einbuchtung 22. Beide, die Einbuchtung 22 und die Einbuchtung 14 sind nach innen gerichtet, also jeweils auf die entsprechend andere Platte zuweisend, und gleich tief ausgeführt. Als Folge liegen die Platten 10 und 20 sowohl im Bereich der Einbuchtung 22 als auch in Bereich der Einbuchtung 14 aufeinander auf. Lateral zwischen den Einbuchtungen 22 und 14 befindet sich ein ebenfalls ringförmiges Volumen, in das ein Kleberstrang 41 eingebracht ist.
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Wie im Fall des Kleberstrangs 40 im Randbereich 2, dient auch der Kleberstrang 41 der Verbindung der beiden Platten 10, 20. Um eine gute und belastbare Verbindung zu erreichen, kann selbstverständlich ein dünner Kleberfilm auch im Bereich der Einbuchtung 22 zwischen den beiden Platten 10, 20 vorgesehen sein. Neben der Verbindung der Platten 10, 20 dichtet der Kleberstrang 41 den von ihm umgebenen Bereich, also den Bereich der Einbuchtung 22 auch gegenüber dem Hohlraum 5 ab. Dieses ermöglicht, die Platten 10, 20 im Bereich der Einbuchtungen 22 zu durchbohren. Solche Bohrungen können beispielsweise zum Anbringen von Montageelementen für den Wärmetauscher 1 genutzt werden. Weiterhin können in solche Bohrungen zusätzliche Verbindungselemente zur Verbindung der Platten 10, 20 untereinander eingesetzt werden, beispielsweise Nieten oder Schrauben.
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Wie in 2 ersichtlich, ist konzentrisch zur Einbuchtung 14 eine weitere Einbuchtung 15 in die obere Platte 10 eingeprägt. Zusammen mit der Einbuchtung 14 wird ein weiterer Graben gebildet, der ebenfalls mit einem Kleberstrang 42 gefüllt ist. Die Abdichtung Hohlraums 5 zum (eventuell durchbohrten) Zentrum eines Verbindungselements 4 ist somit durch die beiden zwei konzentrischen Kleberstränge 41 und 42 sichergestellt.
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Die Einbuchtungen 22, 14 und 15 sind jeweils gleich tief ausgeführt. Wie im Zusammenhang mit den Einbuchtungen 12, 13 im Randbereich 2 beschrieben, fungieren die Einbuchtungen 22, 14, 15 zum einen als Abstandshalter für die Platten 10, 20 und schützen zum anderen die Kleberstränge 41 und 42 vor Auswaschungen durch das durch den Wärmetauscher 1 geführte Medium. Im Bereich des Kleberstrangs 42 zwischen den Einbuchtungen 14 und 15 ist in die untere Platte 20 eine konzentrisch zur Einbuchtung 22 ausgeführte ringförmige Vertiefung 23 eingebracht. Diese ist weniger tief ausgebildet als die Einbuchtungen 22, 14 und 15. Sie dient zum einen der Zentrierung der Einbuchtung 22 gegenüber den ringförmigen Einbuchtungen 14 und 15 und damit der einfachen Positionierung der Platten 10 und 20 zueinander. Zum anderen erhöht sie aufgrund ihrer schrägen Seitenflanken die Haftung des Kleberstrangs 42 an der unteren Platte 20.
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3 zeigt einen Schnitt durch den Randbereich eines Wärmetauschers 1 eines weiteren Ausführungsbeispiels im Detail. Die Schnittebene verläuft bei dem Schnitt der 3 entlang der Achse des Zu- und Ablaufanschlusses 30. In dieser Darstellung ist ersichtlich, dass der Zu- und Ablaufanschluss 30 an seinem Rohrstück 31 eine Wulst aufweist, die auf der äußeren Wandung der oberen Platte 10 aufliegt. Das Ende des Rohrstücks 31 ist gleich einer Hohlniete mit dem Kragen 32 mit der oberen Platte 10 verpresst. Dabei dient ein eingelegter Dichtungsring 33 der Abdichtung zwischen der oberen Platte 10 und dem Rohrstück 31. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Beispiel ist der abgekantete Rand 21 der unteren Platte 20 hier noch nicht auf die obere Platte 10 umgefalzt. Im Eckbereich sind die aufeinander treffenden abgekanteten Ränder 21 der verschiedenen Seiten angeschrägt, hier geschwungen s-förmig, so dass sie beim Umfalzen nicht überlappen.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmetauscher in einem weiteren Ausführungsbeispiel im Bereich eines Verbindungselements 4. Die Einbuchtungen 22, 14 und 15 sowie die Zentriereinprägung 23 sind ebenso ausgeführt wie im Ausführungsbeispiel der 2, auf die hiermit verwiesen wird. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 ist hier zentral im Bereich der topfförmige Einbuchtung 22 eine durch die Platten 10 und 20 durchgehende Bohrung 6 eingebracht. Wie oben bereits angesprochen, kann eine solche Bohrung entweder der Aufnahme eines weiteren Verbindungsmittels, zum Bespiel einer Niete oder einer Schraube dienen, oder ein Montageelement für die Befestigung des Wärmetauschers 1 aufnehmen. Beides, ein weiteres Verbindungsmittel und ein Montageelement, können auch kombiniert werden. Die Größe der Verbindungselemente liegt vorteilhaft im Bereich von Zentimetern, beispielsweise weist die topfförmige Einbuchtung 22 einen äußeren Durchmesser von 2 cm auf und die kreisförmige Einbuchtung 15 einen Durchmesser von etwa 4 cm. In einer solchen Dimensionierung weisen die Verbindungselemente 4 eine ausreichende Fläche zur Aufnahme von Verbindungsmitteln oder Montageelementen auf und verringern gleichzeitig das Volumen und die Querschnittfläche des durchströmten Hohlraums 5 nur unwesentlich.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmetauscher in einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung. Am unteren Bildrand ist der Wärmetauscher geschnitten wiedergegeben. Im Randbereich 2 ist der Wärmetauscher 1 so ausgeführt wie in den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen, auf die hiermit verwiesen wird. Im Unterschied zu den vorigen Beispielen sind die Verbindungselemente 4, die in der Fläche 3 des Wärmetauschers 1 angeordnet sind, oval ausgeführt und weisen nur einen Kleberstrang 43 auf. Sie werden durch je zwei in ihrem mittleren Bereich gerade und parallel verlaufende Einbuchtungen 16a, 16b gebildet, die an ihren Enden abgebogen und miteinander verbunden sind. So entsteht gewissermaßen eine umlaufende Einbuchtung, die den Kleberstrang 43 umgibt und ihn gegenüber dem durchströmbaren Hohlraum 5 abgrenzt. Diese Ausführungsform bietet sich an, wenn nicht vorgesehen ist, dass die Verbindungselemente 4 Verbindungsmittel oder Montageelemente, die durch die Platten 10, 20 geführt sind, aufnehmen.
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6 zeigt einen Schnitt durch ein Verbindungselement 4 eines Wärmetauschers 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Verbindungselement 4 ist hier im Wesentlichen so ausgeführt wie im Beispiel der 5. Im Unterschied zu diesem weist bei Beispiel der 6 die untere Platte 20 im Bereich des Verbindungselements 4 eine topfförmige Einbuchtung 22 auf. Die Einbuchtungen 16a, 16b der oberen Platte 10 sind entsprechend weniger tief ausgeführt. Auf diese Weise wird die Menge an Kleber im Kleberstrang 43 bei gleich großer Klebefläche verringert.
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Zur Herstellung der zuvor dargestellten Wärmetauscher werden die Platten 10, 20 bevorzugt in einem Tiefziehverfahren geformt, wobei alle Einprägungen, sowohl für die Verteilerkanäle 11, als auch für die Einbuchtungen 12–15, 16a, 16b und 22 und die Zentriereinprägung 23 und ggf. auch alle Durchbrüche, z. B. die Bohrung 6 und für die Zu- und Ablaufanschlüsse 30, und der abgekantete Rand 21 in einem Arbeitsgang erstellt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Randbereich
- 3
- Fläche
- 4
- Verbindungselement
- 5
- durchströmter Hohlraum
- 6
- Bohrung
- 10
- obere Platte
- 11
- Verteilerkanal
- 12–16
- Einbuchtung
- 20
- untere Platte
- 21
- abgekanteter Rand
- 22
- Einbuchtung
- 23
- Zentriereinprägung
- 30
- Zu- und Ablaufanschluss
- 31
- Rohrstück
- 32
- Kragen
- 33
- Dichtung
- 34
- Überwurfmutter
- 40–43
- Kleberstrang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19740818 A1 [0003]
- EP 1204495 B1 [0004]
