DE102013206248A1 - Stacked plate heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmetauscher, umfassend mehrere aufeinander gestapelte und miteinander verbundene längliche Scheiben (1, 2, 3), die einen Hohlraum zur Durchführung eines zu kühlenden Mediums in Längsrichtung der Scheiben (1, 2, 3) aufweisen und einen weiteren Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels begrenzen, wobei Zu- und Abflüsse (10, 11; 12, 13) für das zu kühlende Medium und das Kühlmittel vorhanden sind. Bei einem Stapelscheiben-Wärmetauscher, welcher trotz verringerter Bauteilekosten eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist, ist mindestens jede zweite Scheibe (1, 2, 3) einen Strömungswiderstand des zu kühlenden Mediums und/oder des Kühlmittels verändernd positioniert und/oder geformt.The invention relates to a stacked-plate heat exchanger, comprising a plurality of stacked and interconnected elongated discs (1, 2, 3) having a cavity for passage of a medium to be cooled in the longitudinal direction of the discs (1, 2, 3) and a further cavity for the passage of a coolant, wherein inflows and outflows (10, 11, 12, 13) for the medium to be cooled and the coolant are present. In a stacked plate heat exchanger, which despite high component costs has a high performance, at least every other disc (1, 2, 3) has a flow resistance of the medium to be cooled and / or the coolant positioned and / or shaped changing.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a stacked plate heat exchanger according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Im Kühlerbau für Kraftfahrzeuge sind Stapelscheiben-Wärmetauscher hinlänglich bekannt, welche Luft, die einem Verbrennungsmotor zugeführt wird, durch ein Ölkühlmittel oder eine Luftkühlung kühlen. Solche Stapelscheiben-Wärmetauscher bestehen gemäß der
Die Ein- und Austritte für das Kühlmittel bzw. das zu kühlende Medium sind dabei für einen versetzten Gegenstrom des Kühlmittels bzw. des zu kühlenden Mediums angeordnet, wie es aus
Besonders bei Kältemittelverdampfern, wie beispielsweise bei einem Chiller, entsteht das Problem, dass sich in jedem Strömungskanal eine ungleichmäßige Fluidverteilung, wie sie in
Diese nachteilige Verteilung tritt insbesondere bei einem zweiphasigen Kältemittel auf.This disadvantageous distribution occurs in particular in a two-phase refrigerant.
Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeiten in einem Strömungskanal und durch die Gestaltung des Strömungskanals kommt es zur Ausbildung von verschiedenen Strömungswiderständen, die in ihrer Größe variieren. Wie beispielsweise in
Die in den
Die schlechte Fluidverteilung führt bei solchen Stapelscheiben-Wärmetauschern zu einem massiven Leistungsverlust. Um die Leistung zu verbessern, müssen entsprechend mehr Stapelscheiben übereinander positioniert werden.The poor fluid distribution leads to a massive power loss in such stacked plate heat exchangers. To improve the performance, more stacking disks must be positioned one above the other.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, VorteilePresentation of the invention, object, solution, advantages
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stapelscheiben-Wärmetauscher zu schaffen, der trotz reduzierter Anzahl der Einzelteile eine hohe Leistungsdichte gewährleistet.It is the object of the invention to provide a stacked plate heat exchanger, which ensures a high power density despite reduced number of items.
Dies wird erreicht nach den Merkmalen von Anspruch 1, wonach mindestens jede zweite Scheibe einen Strömungswiderstand des zu kühlenden Mediums und/oder des Kühlmittels verändernd positioniert und/oder geformt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Übertragungsfläche der Scheiben verschiedene lokale Anpassungen der druckverlustbestimmten Querschnittsfläche ermöglicht. Dadurch können die Strömungswiderstände auf der stark durchströmten Seite erhöht und auf der gegenüberliegenden, weniger stark durchströmten Seite reduziert werden, was dazu führt, dass eine homogenere Verteilung des Kühlmittels bzw. des zu kühlenden Mediums über der Scheibe erreicht wird. Aufgrund dieser homogenen Verteilung wird eine bessere Überdeckung der Fluidströme erreicht, was zu einer höheren Leistungsdichte des Stapelscheiben-Wärmetauschers führt. Idealerweise kann dabei die Anzahl der Scheiben reduziert werden, wodurch die Gesamtherstellungskosten deutlich vermindert werden.This is achieved according to the features of
Vorteilhafterweise sind die zwei benachbart übereinander liegenden Scheiben unparallel zueinander ausgerichtet. Durch diese unparallele Ausrichtung erfolgt eine Verteilung des zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels über die gesamte Fläche der Scheiben, was zu der gewünschten besseren Fluidverteilung führt. Diese unparallele Ausrichtung stellt eine einfach handhabbare Maßnahme ohne zusätzliche Verfahrensschritte dar. Durch die unparallele Ausrichtung der Scheiben zueinander kann ein über die Fläche zwischen den Scheiben veränderlicher Verlauf des sich dem Medium entgegenstellenden Strömungswiderstandes erreicht werden. Dies führt zu einer besseren Verteilung des Mediums zwischen den Scheiben. Die Veränderung des Strömungswiderstandes resultiert dabei hauptsächlich aus einer Veränderung der durchströmten Querschnittsfläche. Bereiche mit einem größeren Abstand zwischen zwei benachbarten Scheiben erzeugen einen geringeren Strömungswiderstand als Bereiche mit geringerem Abstand. Der entstehende Druckverlust für das Medium ist dabei abhängig vom Strömungswiderstand.Advantageously, the two adjacent superimposed discs are aligned unparallel to each other. This unparallel alignment results in a distribution of the medium to be cooled or the coolant over the entire surface of the discs, which leads to the desired better fluid distribution. This unparallel alignment is an easily manageable measure without additional process steps. Due to the unparallel alignment of the discs to each other over the surface between the discs variable course of the medium opposing flow resistance can be achieved. This leads to a better distribution of the medium between the discs. The change in the flow resistance results mainly from a change in the flow cross-sectional area. Areas with a greater distance between two adjacent disks produce a lower flow resistance than areas with a smaller distance. The resulting pressure loss for the medium is dependent on the flow resistance.
In einer Ausgestaltung sind die Scheiben um eine Achse zueinander geneigt, wobei vorzugsweise ein erster Abstand an einem ersten Ende der benachbart übereinander angeordneten Scheiben größer ist als ein zweiter Abstand an einem zweiten Ende der benachbart übereinander liegenden Scheiben. Durch die Neigung verteilt sich das zu kühlende Medium bzw. das Kühlmittel kontinuierlich über die gesamte Ausdehnung der jeweiligen Scheibe, wodurch eine verbesserte Überdeckung der Fluidströme in den unterschiedlichen, durch die Scheiben gebildeten, als Strömungskanäle dienenden Hohlräumen erreicht wird.In one embodiment, the disks are inclined relative to each other about an axis, wherein preferably a first distance at a first end of the adjacent disks arranged one above the other is greater than a second distance at a second end of the adjacent disks lying one above the other. Due to the inclination, the medium to be cooled or the coolant is distributed continuously over the entire extent of the respective disc, whereby an improved coverage of the fluid flows in the different, formed by the discs, serving as flow channels cavities is achieved.
Vorteilhafterweise werden dadurch die Strömungswiderstände auf der stark durchströmten Seite erhöht und auf der gegenüberliegenden weniger stark durchströmten Seite erniedrigt. Dies führt dazu, dass eine homogenere Verteilung der Stoffströme über die Scheibe erreicht wird. Aufgrund dieser homogenen Verteilung wird eine bessere Überdeckung der Stoffströme in zueinander benachbarten Hohlräumen erreicht, was zu einer höheren Leistungsdichte des Stapelscheiben-Wärmetauschers führt.Advantageously, this increases the flow resistance on the strongly flow-through side and lowers it on the opposite, less strongly flowed through side. This leads to a more homogeneous distribution of the material flows across the disk. Due to this homogeneous distribution better coverage of the streams is achieved in mutually adjacent cavities, resulting in a higher power density of the stacked plate heat exchanger.
In einer Weiterbildung sind die zwei benachbart übereinander liegenden Scheiben in einem Winkel zwischen 0° bis 5°, dabei bevorzugt zwischen 0,1° und 2°, zueinander geneigt. Durch diese Schiefstellung wird der Strömungswiderstand am vorteilhaftesten verändert und eine kontinuierliche Verteilung des Fluids realisiert.In a further development, the two adjacent disks lying one above the other are inclined relative to one another at an angle between 0 ° and 5 °, in this case preferably between 0.1 ° and 2 °. By this misalignment of the flow resistance is most advantageously changed and realizes a continuous distribution of the fluid.
In einer Weiterbildung ist eine erste Scheibe waagerecht positioniert, während eine benachbarte zweite Scheibe zur ersten Scheibe geneigt ist. Da bei dieser Ausbildung des Stapelscheiben-Wärmetauschers nur jede zweite Scheibe geneigt positioniert werden muss, vereinfacht sich die Montage.In a further development, a first disc is positioned horizontally, while an adjacent second disc is inclined to the first disc. Since in this embodiment of the stacked plate heat exchanger only every other disc must be positioned inclined, the assembly is simplified.
In einer Variante sind die beiden benachbart übereinander liegenden Scheiben in Richtung einer Hauptströmung und/oder in Richtung einer Nebenströmung geneigt. Diese Neigung kann einfach in Abhängigkeit davon festgelegt werden, ob die Scheiben linear oder diagonal durchströmt werden. Dadurch wird der Strömungswiderstand des zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels in gewünschter Art und Weise verändert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Neigung der Scheiben zueinander derart gestaltet ist, dass die durch die Neigung resultierende Veränderung des Strömungswiderstandes zu einer homogeneren Verteilung des Stoffstromes über die Fläche der Scheiben führt.In a variant, the two disks lying next to one another are inclined in the direction of a main flow and / or in the direction of a secondary flow. This slope can be easily determined depending on whether the slices are traversed linearly or diagonally. As a result, the flow resistance of the medium to be cooled or the coolant is changed in the desired manner. It is particularly advantageous if the inclination of the disks relative to each other is such that the change in the flow resistance resulting from the inclination leads to a more homogeneous distribution of the material flow over the surface of the disks.
Alternativ weisen die Scheiben eine Wellung auf, wobei die Ausprägung der Wellung vorzugsweise über die Ausdehnung der Scheibe variiert. Durch die Einbringung dieser Wellung werden die Strömungswiderstände lokal über unterschiedliche Wellenlängen des strömenden Mediums beeinflusst.Alternatively, the discs have a corrugation, wherein the expression of the corrugation preferably varies over the extent of the disc. By introducing this corrugation, the flow resistances are locally influenced by different wavelengths of the flowing medium.
Vorteilhafterweise vergrößert sich die Ausprägung der Wellung in eine vorgegebene Richtung der Scheiben. Dadurch nimmt die Wellenlänge des fließenden Mediums zu, wodurch der Strömungswiderstand verringert wird. Insbesondere kann die Wellung dabei eine sich ändernde Wellenlänge aufweisen. Die Wellenlänge kann sich dabei beispielsweise verkürzen oder verlängern. Durch die Einbringung der Wellung werden die Strömungswiderstände lokal über die unterschiedlichen Wellenlängen der den Hohlraum begrenzenden Kontur der Scheibe beeinflusst. Die Wellenlänge der Kontur der Scheiben wird dabei, im Falle eines vollständig mit einem Medium gefüllten Hohlraumes, auch dem Medium aufgezwängt. Die Bereiche des Hohlraumes, welche durch eine Kontur mit einer großen Wellenlänge begrenzt sind, erzeugen einen geringen Strömungswiderstand, während die Bereiche des Hohlraumes, welche durch eine Kontur mit einer kleinen Wellenlänge begrenzt sind, einen großen Strömungswiderstand erzeugen.Advantageously, the expression of the corrugation increases in a predetermined direction of the discs. As a result, the wavelength of the flowing medium increases, whereby the flow resistance is reduced. In particular, the corrugation may have a changing wavelength. The wavelength can be shortened or lengthened, for example. By introducing the corrugation, the flow resistances are locally influenced by the different wavelengths of the cavity defining the contour of the disc. In this case, the wavelength of the contour of the disks is also forced in the medium, in the case of a cavity completely filled with a medium. The regions of the cavity bounded by a large wavelength contour create a low flow resistance while the regions of the cavity bounded by a small wavelength contour produce a large flow resistance.
In einer Variante ist die Ausprägung der Wellung über eine Fläche der Scheibe alternierend ausgebildet. Eine solche Gestaltung empfiehlt sich insbesondere für die Erzeugung einer kontinuierlichen Strömung bei diagonal durchströmten Scheiben, wo die Strömungswiderstände unterschiedlicher Größe über die Fläche der Scheibe verteilt sind.In one variant, the expression of the corrugation over a surface of the disc is formed alternately. Such a design is particularly recommended for the generation of a continuous flow in diagonal flowed through disks, where the flow resistances of different sizes are distributed over the surface of the disc.
In einer weiteren Alternative weist wenigstens eine Scheibe mindestens ein Amplitudenbeeinflussungselement zur Veränderung der Amplitude des durch die als Hohlräume ausgebildeten Strömungskanäle strömenden zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels auf. Durch unterschiedliche Amplituden können die Strömungswiderstände im Hohlraum ebenfalls verändert werden, wodurch eine kontinuierliche Fluidverteilung im Hohlraum erreicht und eine bessere Überdeckung der Flüssigkeitsströme realisiert wird.In a further alternative, at least one disc has at least one amplitude influencing element for changing the amplitude of the medium or the coolant to be cooled flowing through the flow channels designed as cavities. By varying amplitudes, the flow resistance in the cavity can also be changed, whereby a continuous fluid distribution in the cavity achieved and a better coverage of the liquid streams is realized.
In einer Ausgestaltung weist die Wellung eine sich ändernde Amplitude auf, die sich vergrößert oder verringert. Durch die Änderung der Amplitude wird zwischen den Scheiben zumindest eine schiefe Ebene erzeugt. Eine schiefe Ebene korreliert dabei jeweils mit einem Bereich zunehmender oder abnehmender Amplitude. über diese schiefe Ebene kann eine vorteilhafte Verteilung des Stoffstromes erreicht werden. Vorteilhafterweise wird die schiefe Ebene in Abhängigkeit davon festgelegt, ob die Hohlräume zwischen den Scheiben linear oder diagonal durchströmt werden. Dadurch wird der Strömungswiderstand, der dem Stoffstrom entgegengesetzt wird, derart verändert, dass eine vorteilhaftere Strömung entsteht.In one embodiment, the corrugation has a varying amplitude that increases or decreases. By changing the amplitude, at least one inclined plane is generated between the discs. An inclined plane correlates in each case with an area of increasing or decreasing amplitude. On this inclined plane, an advantageous distribution of the material flow can be achieved. Advantageously, the inclined plane is determined as a function of whether the cavities between the disks are traversed linearly or diagonally. As a result, the flow resistance, which is opposed to the material flow, changed so that a more advantageous flow is formed.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungswiderstand in einem Hohlraum quer zu einer Strömungsrichtung eines Stoffstromes in diesem Hohlraum erstreckt.It may also be advantageous if the flow resistance extends in a cavity transversely to a flow direction of a stream in this cavity.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die Zuflüsse und/oder Abflüsse eines ersten Stoffstromes, welcher durch einen ersten Hohlraum strömt, auf einer ersten Längsseite einer den ersten Hohlraum begrenzenden Scheibe angeordnet sind und die Zuflüsse und/oder Abflüsse eines zweiten Stoffstromes, welcher in einem zum ersten Hohlraum benachbarten zweiten Hohlraum strömt, auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite angeordnet sind.Furthermore, it is preferable if the inflows and / or outflows of a first material flow, which flows through a first cavity, are arranged on a first longitudinal side of a disc bounding the first cavity and the inflows and / or outflows of a second material flow, which in one flows to the first cavity adjacent second cavity, are arranged on one of the first longitudinal side opposite the second longitudinal side.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Zufluss und der Abfluss einer Scheibe sich diagonal gegenüber in den Eckbereichen einer Scheibe angeordnet sind.It is also expedient if the inflow and outflow of a disk are arranged diagonally opposite in the corner regions of a disk.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Wellung eine sich ändernde Wellenlänge aufweist, die sich kontinuierlich verkürzt oder verlängert.In an advantageous embodiment of the invention, it may be provided that the corrugation has a changing wavelength, which is continuously shortened or extended.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Wellung eine konstante Wellenlänge und/oder eine konstante Amplitude aufweist.Furthermore, it is advantageous if the corrugation has a constant wavelength and / or a constant amplitude.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Querschnittsform der Wellung in Längsrichtung kontinuierlich von einem sinusförmigen Kurvenverlauf in einen rechteckförmigen Kurvenverlauf übergeht oder umgekehrt.An alternative embodiment provides that the cross-sectional shape of the corrugation in the longitudinal direction continuously changes from a sinusoidal curve to a rectangular curve or vice versa.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Strömungswiderstand durch einen Prägevorgang erzeugbar ist.It is also advantageous if the flow resistance can be generated by an embossing process.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.Further advantageous embodiments are described by the following description of the figures and by the subclaims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail on the basis of at least one embodiment with reference to the drawings. Show it:
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Die
Auf der Scheibe
In den
Die gezeigte Aufteilung des Strömungsfeldes in Flächensegmente ist eine starke Vereinfachung der tatsächlichen Verhältnisse entlang der überströmten Fläche einer Scheibe
Wie aus
Wenn die Scheiben
In einer alternativen Ausführungsform werden die Strömungswiderstände R im Hohlraum über unterschiedliche Amplituden des durch den Hohlraum strömenden ersten bzw. zweiten Stoffstromes beeinflusst. Hierzu sind nicht weiter dargestellte Amplitudenbeeinflussungselemente an der Scheibe
Durch Änderung der Wellenlänge λ (welche teilweise auch als Raffung bezeichnet wird), die durch die Wellung
In
Es besteht aber auch die Möglichkeit die Wellenlänge λ in der Art und Weise variabel zu gestalten, dass die Wellung
Aufgrund der lokalen Beeinflussung der Strömungswiderstände R verbessert sich der Wärmeübergang in einem solchen Stapelscheiben-Wärmetauscher
Die Amplituden, die Wellenlänge, die Abstände der Scheiben zueinander oder die Neigung der Scheiben zueinander können in alternativen Ausführungen auch von den hier gezeigten abweichen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mehrere Bereiche vorgesehen sind, in denen die oben genannten Parameter jeweils zunehmen oder abnehmen. Es sind daher beispielsweise auch Ausführungen vorsehbar, die zuerst eine zunehmende Wellenlänge aufweisen und darauffolgend eine abnehmende Wellenlänge. Insbesondere sind die beschriebenen Parameter auch beliebig kombinierbar.The amplitudes, the wavelength, the distances between the disks to each other or the inclination of the disks to each other may differ in alternative embodiments from those shown here. In particular, provision can be made for a plurality of regions to be provided, in which the above-mentioned parameters increase or decrease respectively. Therefore, for example, it is also possible to provide designs which initially have an increasing wavelength and subsequently a decreasing wavelength. In particular, the parameters described can also be combined as desired.
Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele haben beispielhaften Charakter und sind untereinander kombinierbar.The embodiments shown here have exemplary character and can be combined with each other.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRAUEL, ANDREAS, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MAHLE INTERNATIONAL GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: BEHR GMBH & CO. KG, 70469 STUTTGART, DE Effective date: 20150317 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRAUEL, ANDREAS, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE Effective date: 20150317 |
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |