DE102010046913A1

DE102010046913A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102010046913A1
Application number: DE102010046913A
Authority: DE
Inventors: Heinrich J. Kuehne; Thomas Cott
Original assignee: Hydac Cooling GmbH
Current assignee: Hydac Cooling GmbH
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29
Also published as: US20120073793A1; CN103097848B; WO2012052093A2; EP2622299B1; WO2012052093A3; US8579021B2; EP2622299A2; CN103097848A

Abstract

Ein Wärmetauscher, insbesondere für Fluidkühlvorrichtungen, mit einem Paket aus planparallelen Platten (1), wobei zwischen Paaren übereinanderliegender Platten (1) im Wechsel Durchströmbereiche (3, 5) für ein heißes Medium und für ein Kühlmedium gebildet sind, die jeweils durch die Platten (1) auf Abstand haltende Profilleisten (7, 11) seitlich begrenzt sind, die an den Platten (1) anliegende Lötflächen (25) bilden, wobei sich die Profilleisten (7, 11) an den Durchströmbereichen (3, 5) des einen Mediums und des anderen Mediums entlang von im Winkel aneinanderstoßender Ränder der Platten (1) erstrecken und wobei zumindest die Profilleisten (11) der Durchströmbereiche (5) des Kühlmediums einen Grundkörper (13), zwei sich von diesem entlang der Lötflächen (25) erstreckende Schenkel (17) sowie zwischen diesen eine zum angrenzenden Durchströmbereich (5) offene Ausnehmung (15) aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15) zumindest in dem an ihren inneren Endabschnitt (23) angrenzenden Bereich von ebenflächigen Wandteilen (29) begrenzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Fluidkühlvorrichtungen, mit einem Paket aus planparallelen Platten, wobei zwischen Paaren übereinanderliegender Platten im Wechsel Durchströmbereiche für ein heißes Medium und für ein Kühlmedium gebildet sind, die jeweils durch die Platten auf Abstand haltende Profilleisten seitlich begrenzt sind, die an den Platten anliegende Lötflächen bilden, wobei sich die Profilleisten an den Durchströmbereichen des einen Mediums und des anderen Mediums entlang von im Winkel aneinanderstoßender Ränder der Platten erstrecken und wobei zumindest die Profilleisten der Durchströmbereiche des Kühlmediums einen Grundkörper, zwei sich von diesem entlang der Lötflächen erstreckende Schenkel sowie zwischen diesen eine zum angrenzenden Durchströmbereich offene Ausnehmung aufweisen.
Wärmetauscher dieser Art, auch Lamellenkühler genannt, sind Stand der Technik, vgl. DE 20 208 748 U1 . Mit Luft als Kühlmedium werden solche Wärmetauscher vielfach zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten für die Arbeitshydraulik maschineller Anlagen, wie Baumaschinen od. dgl., für hydrostatische Fahrantriebe oder als Ölkühler für hoch belastete Getriebe, namentlich bei Windkraftanlagen, eingesetzt. Beim Betrieb derartiger Anlagen sind die Wärmetauscher nicht nur mechanischen Belastungen, sondern wegen der hohen Betriebstemperatur abzukühlender Fluide in besonderem Maße auch thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich durch intermittierende Betriebsweisen Temperatursprünge ergeben, was aufgrund von Werkstoffdehnungen zu starken Spannungen in dem Paket der Komponenten führt, die durch Löten zu einem starren Block verbunden sind. Die Folge sind Spannungsrisse, insbesondere im Bereich der Lötnähte, mit der Gefahr des Versagens des Wärmetauschers und damit der Gefährdung des zugehörigen Systems.
Im Hinblick auf diese Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, der sich durch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Betriebsbelastungen auszeichnet, so dass ein sicherer Langzeitbetrieb ermöglicht ist.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass durch spezielle Formgebung der Ausnehmung zumindest bei den an das Kühlmedium angrenzenden Profilleisten die Form des an die Lötflächen der Schenkel angrenzenden Querschnittes im Hinblick auf die Vermeidung übermäßiger Spannungen optimiert ist. Dadurch, dass die Ausnehmung, ausgehend vom inneren Endabschnitt, ebenflächige Wandteile aufweist, läßt sich eine zumindest näherungsweis lineare Änderung der Biegefestigkeit über die Länge der Profilschenkel erreichen, so dass durch Wahl der Länge und/oder der Neigung dieser ebenflächigen Wandteile relativ zur Lötflächenebene ein optimales Biegeverhalten der Schenkel erreichbar ist.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung hierbei so getroffen sein, dass die Ausnehmung, ausgehend von ihrem inneren Endabschnitt, divergierende erste ebenflächige Wandteile, die sich zu Engstellen des Querschnittes der Schenkel erstrecken, sich an die Engstellen anschließende, konvergierende zweite ebenflächige Wandteile sowie sich daran anschließende dritte ebenflächige Wandteile aufweist, die sich, zu den Lötflächen parallel, in die Nähe der Öffnung der Ausnehmung erstrecken. Dadurch sind an den Profilschenkeln Zonen geringerer Biegefestigkeit gebildet, an die sich zu beiden Seiten Schenkelabschnitte anschließen, in denen der Biegewiderstand im Wesentlichen linear zunimmt. Die Engstellen definieren nicht nur eine Biegelinie einer Art Biegegelenk, sondern stellen auch den Ort des steilsten Temperaturgradienten dar. Da dieser am Ort des geringsten Materialquerschnitts wirksam ist, ergeben sich entsprechend geringe Materialdehnungen und -spannungen.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die Ausnehmung in der Weise geformt, dass sich an die dritten ebenflächigen Wandteile vierte ebenflächige Wandteile anschließen, die zueinander leicht divergierend bis zur Öffnung der Ausnehmung verlaufen.
Vorzugsweise können die ersten ebenflächigen Wandteile zueinander senkrechte Ebenen bilden, und die zweiten ebenflächigen Wandteile können mit den ersten ebenflächigen Wandteilen einen stumpfen Winkel einschließen, der vorzugsweise lediglich geringfügig größer als ein rechter Winkel ist. Damit entspricht die Querschnittsform der Ausnehmung in dem an das innere Ende angrenzenden Bereich in etwa einem zur Öffnung hin offenen Quadrat.
Mit Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass die ersten ebenflächigen Wandteile miteinander und diese mit den zweiten ebenflächigen Wandteilen jeweils über gewölbte Wandstellen mit gleichem Krümmungsradius verbunden sind. Die zweiten ebenflächigen Wandteile sind mit den dritten ebenflächigen Wandteilen und diese mit den vierten ebenflächigen Wandteilen vorzugsweise auch jeweils über gewölbte Wandstellen mit gleichem, zweitem Krümmungsradius verbunden, der das Doppelte des ersten Krümmungsradius beträgt.
Hinsichtlich der Dimensionierung der Engstellen relativ zur Querschnittsdicke der sich in Richtung auf die Öffnung anschließenden Schenkel ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, dass die Dicke des Querschnitts der Schenkel im Bereich der dritten ebenflächigen Wandteile in etwa das Doppelte der Dicke des Querschnittes an den Engstellen beträgt.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Es zeigen:
1 in der Art einer explosionsartig auseinander gezogenen perspektivischen Schrägansicht lediglich einen Eckbereich eines Teils des Plattenpakets eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und
2 eine vergrößert gezeichnete Seitenansicht lediglich einer Profilleiste zur Bildung eines Abstandhalters zwischen Platten des Pakets.
Die 1 verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel in Form eines in üblicher Plattenbauweise gefertigten Wärmetauschers mit einem Stapel ebener Platten 1, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, die in parallelen Ebenen verlaufen und Trennplatten für zwischen ihnen befindliche Durchströmbereiche bilden, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Plattenpaaren im Wechsel jeweils ein Durchströmbereich 3 für das zu kühlende Medium, beispielsweise Hydrauliköl, und ein Durchströmbereich 5 für ein Kühlmedium, etwa Kühlluft, gebildet sind. Wie aus 1 ersichtlich ist, erstrecken sich die Durchströmbereiche 3 und 5 im rechten Winkel zueinander. Der in der Zeichnung oben liegende Durchströmbereich 3 für das heiße Medium ist an zwei einander gegenüberliegenden Seiten durch in üblicher Weise gestaltete Abschlußleisten 7 geschlossen, zwischen denen sich der jeweilige Zuström- und Abströmbereich befindet, wobei zwischen den Abschlußleisten 7 in üblicher Weise Turbulatoren 9 in der Art von Lamellen vorgesehen sind.
Der Durchströmbereich 5 des Kühlmediums ist seitlich jeweils ebenfalls durch Abschlußleisten begrenzt, die die Abstandhalter zwischen dem jeweiligen Plattenpaar bilden und die als Profilleisten 11 mit besonderer, erfindungsgemäßer Gestaltung gebildet sind. Diese erfindungsgemäße Ausbildung ist anhand der 2 näher erläutert.
Wie ersichtlich, weisen die ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung vorzugsweise stranggepreßten Profilleisten 11 einen quader- oder blockförmigen Grundkörper 13, der dem Randbereich der Platten 1 zugewandt ist, eine Ausnehmung 15 in Form einer durchgehenden Längsnut sowie die Ausnehmung 15 beidseits begrenzende Schenkel 17 auf. Wie 1 zeigt, ist die Ausnehmung 15 zum Durchströmbereich 5 hin offen, in dem sich Kühllamellen 19 befinden, die, ebenso wie die Turbulatoren 9 im Durchströmbereich 3, die effektive Wärmeübertragungsfläche vergrößern. Der innere Endabschnitt 23 (2) der Ausnehmung 15 befindet sich vom geschlossenen Ende 21 der Profilleiste 11 in einem Abstand, der etwas größer ist als der Abstand zwischen Endabschnitt 23 und Öffnung der Ausnehmung 15. Die ebenen oberen und unteren Endflächen der Profilleiste 11, also vom Grundkörper 13 bis zum Endbereich der Schenkel 17, bilden die Lötflächen 25 für die Verbindung des Plattenpakets. Am offenen Ende der Ausnehmung 15 befinden sich lippenartige Vorsprünge 27. Wie 1 zeigt, stützen die Lippen 27 die Lamellen 5 vor dem Ende der Lötflächen 25 ab, so dass bei der Stapelbildung die Gefahr vermieden ist, dass Lamellenenden in den Spalt zwischen Platte 1 und Lötfläche 25 eindringen.
Die Ausnehmung 15 ist, von ihrem inneren Endabschnitt 23 ausgehend, durch ebenflächige Wandteile 29 begrenzt, die sich, zueinander divergierend und einen rechten Winkel einschließend, bis in die Nähe der betreffenden Lötfläche 25 erstrecken und dort eine Profilengstelle 31 des Profilquerschnitts der Schenkel 17 bilden. An die Engstelle 31 schließen sich zweite ebenflächige Wandteile 33 an, die zueinander konvergierend verlaufen und mit den ersten ebenflächigen Wandteilen 29 einen stumpfen Winkel einschließen, der wenig größer als ein rechter Winkel ist. Die Länge dieser zweiten ebenflächigen Wandteile 33 ist etwas geringer als die Länge der ersten ebenflächigen Wandteile 29, und an diese zweiten ebenflächigen Wandteile 33 schließen sich dritte ebenflächige Wandteile 35 an, die zu den Lötflächen 25 parallele Ebenen definieren und sich bis in die Nähe der Öffnung der Ausnehmung 15 erstrecken. An diese dritten ebenflächigen Wandteile 35 schließen sich wiederum vierte ebenflächige Wandteile 37 an, die sich zueinander leicht divergierend bis zur Öffnung der Ausnehmung 15 erstrecken. Die Verbindung der ersten ebenflächigen Wandteile 29 miteinander und mit den zweiten ebenflächigen Wandteilen 33 erfolgt jeweils über gewölbte Wandstellen 39 mit gleichem Krümmungsradius. Die Verbindung der zweiten ebenflächigen Wandteile 33 mit den dritten ebenflächigen Wandteilen 35 und dieser mit den vierten ebenflächigen Wandteilen 37 erfolgt ebenfalls über gewölbte Wandstellen 41, bei denen der Krümmungsradius jeweils das Doppelte des Krümmungsradius an den Wandstellen 39 beträgt.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Querschnittsform der Ausnehmung 15 resultiert in einer wirksamen Verringerung der betrieblichen Spannungsspitzen und der Gefahr einer Rissbildung an den Lötstellen. Bei dem Durchstrom des Kühlmittels durch die Ausnehmung 15 bilden die Engstellen 31 am Schenkelprofil den Ort des steilsten Temperaturgradienten. Gleichzeitig ist dies auch der Ort des geringsten Materialquerschnitts, so dass thermische Verformungen auf entsprechend begrenzte Materialpartien beschränkt sind. Da von den Engstellen 31 ausgehend sich die Profildicke der Schenkel 17 zur Öffnung hin auf eine Profildicke vergrößert, die etwa dem Doppelten an den Engstellen 31 entspricht, ergibt sich eine optimale Spannungsverteilung über den Bereich der Lötflächen 25.
Die erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung braucht auf das Gebiet der Fluidkühlung nicht eingeschränkt zu sein, sondern kann auch allgemein für die Kühlung gasförmiger Medien eingesetzt werden und hier insbesondere auch Ladeluftkühler (Dieselmotoren), sowie Nach- und Zwischenkühler (Kompressoren) mit einbeziehen. Die Temperaturdifferenzen (Kühlluft zu Medium) bei den dahingehenden Anwendungen liegen vergleichsweise noch wesentlich höher als vorstehend beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 20208748 U1 [0002]

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für Fluidkühlvorrichtungen, mit einem Paket aus planparallelen Platten (1), wobei zwischen Paaren übereinanderliegender Platten (1) im Wechsel Durchströmbereiche (3, 5) für ein heißes Medium und für ein Kühlmedium gebildet sind, die jeweils durch die Platten (1) auf Abstand haltende Profilleisten (7, 11) seitlich begrenzt sind, die an den Platten (1) anliegende Lötflächen (25) bilden, wobei sich die Profilleisten (7, 11) an den Durchströmbereichen (3, 5) des einen Mediums und des anderen Mediums entlang von im Winkel aneinanderstoßender Ränder der Platten (1) erstrecken und wobei zumindest die Profilleisten (11) der Durchströmbereiche (5) des Kühlmediums einen Grundkörper (13), zwei sich von diesem entlang der Lötflächen (25) erstreckende Schenkel (17) sowie zwischen diesen eine zum angrenzenden Durchströmbereich (5) offene Ausnehmung (15) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15) zumindest in dem an ihren inneren Endabschnitt (23) angrenzenden Bereich von ebenflächigen Wandteilen (29) begrenzt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15), ausgehend von ihrem inneren Endabschnitt (23), divergierende erste ebenflächige Wandteile (29), die sich zu Engstellen (31) des Querschnittes der Schenkel (17) erstrecken, sich an die Engstellen (31) anschließende, konvergierende zweite ebenflächige Wandteile (33) sowie sich daran anschließende dritte ebenflächige Wandteile (35) aufweist, die sich, zu den Lötflächen (25) parallel, in die Nähe der Öffnung der Ausnehmung (15) erstrecken.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die dritten ebenflächigen Wandteile (35) vierte ebenflächige Wandteile (37) anschließen, die zueinander leicht divergierend bis zur Öffnung der Ausnehmung (15) verlaufen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten ebenflächigen Wandteile (29) zueinander senkrechte Ebenen bilden.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten ebenflächigen Wandteile (33) mit den ersten ebenflächigen Wandteilen (29) einen stumpfen Winkel einschließen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten ebenflächigen Wandteile (29) miteinander und diese mit den zweiten ebenflächigen Wandteilen (33) jeweils über gewölbte Wandstellen (39) mit gleichem, ersten Krümmungsradius verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten ebenflächigen Wandteile (33) mit den dritten ebenflächigen Wandteilen (35) und diese mit den vierten ebenflächigen Wandteilen (37) jeweils über gewölbte Wandstellen (41) mit gleichem, zweiten Krümmungsradius verbunden sind, der das Doppelte des ersten Krümmungsradius beträgt.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Querschnittes der Schenkel (17) im Bereich der dritten ebenflächigen Wandteile (35) in etwa das Doppelte der Dicke an den Engstellen (31) beträgt.