DE102013220313B4

DE102013220313B4 - Stapelscheiben-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102013220313B4
Application number: DE102013220313.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dränkow; Jens Richter; Herbert Hofmann
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: US20150096727A1; US10024604B2; DE102013220313A1; CN204255153U

Abstract

Stapelscheiben-Wärmetauscher, mit mehreren aufeinander gestapelten und miteinander verbundenen länglichen, ein Wellenprofil (4) aufweisenden Scheiben (2, 3), die einen Hohlraum zum Durchführen eines zu kühlenden Mediums in Längsrichtung der Scheiben (2, 3) aufweisen und einen weiteren Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels begrenzen, wobei annähernd in den Endbereichen jeder länglichen Scheibe (2, 3) Durchführungsöffnungen (6, 7, 8, 9) zum Zuführen oder Abführen des zu kühlenden Mediums oder des Kühlmittels ausgebildet sind und jede längliche Scheibe (2, 3) von einem abgekröpften Rand (10) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine n-te Wellung (41) des Wellenprofils (4) jeder Scheibe (2,3) nahe zum Rand (10), vorzugsweise in den Rand, gezogen ist, während die anderen Wellungen (42) des Wellenprofils (4) der Scheibe (2, 3) vor dem Rand (10) enden, wobei n = 2, 3, 4 etc, wobei die Scheiben (2, 3) in einem Block angeordnet sind, wobei jede zweite Scheibe (3), deren Wellenprofil (4) mindestens eine, in den Rand (10) gezogene Wellung (41) aufweist, beidseitig von zwei Scheiben (2) begrenzt ist, deren Wellungen (42) des Wellenprofils (4) vor dem Rand (10) enden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Im Kühlerbau sind Stapelscheiben-Wärmetauscher hinlänglich bekannt, welche Luft, die einem Verbrennungsmotor zugeführt wird, durch ein Ölkühlmittel oder eine Luftkühlung kühlen. Aus der DE 43 14 808 A1 ist ein Plattenwärmetauscher, insbesondere ein Öl/Kühlmittelkühler, bekannt, welcher längliche Platten aufweist, die aufeinandergestapelt sind und deren umlaufende Ränder aneinander liegen. Die Scheiben des Wärmetauschers weisen alle die gleiche Form auf. Örtlich weisen die Scheiben turbulenzerzeugende Erhebungen in Form von Noppen bzw. abdichtende Ausprägungen auf. Es sind aber auch Einbauten in Form von Turbulenzeinlagen oder Dichtscheiben bekannt.
Die DE 10 2004 036 951 A1 zeigt einen Wärmeübertrager, welcher aus identischen Scheiben, die übereinandergestapelt sind, aufgebaut ist, wobei jede Scheibe einen gekröpften Rand aufweist. Jeweils zwei übereinander liegende Scheiben bilden dabei einen Hohlraum zum Durchführen eines zu kühlenden Mediums in Längsrichtung der Scheiben oder einen weiteren Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels. In den Endbereichen jeder länglichen Scheibe sind Durchgangsöffnungen zum Zuführen oder Abführen des zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels ausgebildet. Jede Scheibe weist dabei ein Wellenprofil auf, um zu gewährleisten, dass das zu kühlende Medium bzw. das Kühlmittel von der Zufuhrseite bis zur Abfuhrseite nicht geradlinig strömt. Bei den beschriebenen Stapelscheiben-Wärmetauschern bestehen auf beiden Fluidseiten die gleichen thermodynamischen Bedingungen.
Die GB 2 056 652 A offenbart einen Wärmeübertrager, welcher aus identischen Scheiben, die übereinandergestapelt sind, aufgebaut ist, wobei jede Scheibe einen erhabenen Rand aufweist, wobei zwei übereinander liegende Scheiben dabei einen Hohlraum zum Durchführen eines Mediums in Längsrichtung der Scheiben bilden. In den Endbereichen jeder länglichen Scheibe sind Durchgangsöffnungen zum Zuführen oder Abführen des zu kühlenden Mediums ausgebildet. Jede Scheibe weist dabei ein Wellenprofil aus Reihen von erhabenen Sicken auf, die in einer Scheibe jeweils alle in eine Richtung ausgerichtet sind.
Die US 4 679 410 A offenbart einen Wärmeübertrager, welcher aus identischen Scheiben, die übereinandergestapelt sind, aufgebaut ist, wobei jede Scheibe einen erhabenen Rand aufweist, wobei zwei übereinander liegende Scheiben dabei einen Hohlraum zum Durchführen eines Mediums in Längsrichtung der Scheiben bilden. In den Endbereichen jeder länglichen Scheibe sind Durchgangsöffnungen zum Zuführen oder Abführen des zu kühlenden Mediums ausgebildet. In dem Hohlraum sind Wellrippen eingelegt.
Die DE 22 46 031 A offenbart einen Wärmeübertrager, welcher aus Scheiben ausgebildet ist, die übereinandergestapelt sind, wobei jede Scheibe einen erhabenen Rand aufweist, wobei zwei übereinander liegende Scheiben dabei einen Hohlraum zum Durchführen eines Mediums in Längsrichtung der Scheiben bilden. In den Endbereichen jeder länglichen Scheibe sind Durchgangsöffnungen zum Zuführen oder Abführen des zu kühlenden und des kühlenden Mediums ausgebildet. Jede Scheibe weist dabei ein v-förmiges Wellenprofil aus Reihen von erhabenen Sicken auf.
Um unterschiedliche thermodynamische Bedingungen an den beiden Fluidseiten auszubilden, ist es notwendig, zusätzliche Scheiben zu verwenden, was einen erhöhten konstruktiven Aufwand erfordert und gleichzeitig die Kosten des Wärmetauschers erhöht.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stapelscheiben-Wärmetauscher zu schaffen, mittels welchem sich differenzierte thermodynamische Bedingungen an den beiden Fluidseiten des Stapelscheiben-Wärmetauschers einstellen, ohne die Herstellungskosten weiter zu erhöhen.
Dies wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Stapelscheiben-Wärmetauscher, bei welchem eine n-te Wellung des Wellenprofils jeder Scheibe nahe zum Rand, vorzugsweise in den Rand, gezogen ist, während die anderen Wellungen des Wellenprofils der Scheibe vor dem Rand enden, wobei n = 2, 3, 4 etc. Dies hat den Vorteil, dass ein Druckabfall innerhalb des Fluidkanals eingestellt werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jede n-te Wellung des Wellenprofils jeder Scheibe nahe zum Rand, vorzugsweise in den Rand, gezogen ist, wobei n = 2, 3, 4 etc.
Erfindungsgemäß sind die Scheiben in einem Block angeordnet, wobei jede x-te Scheibe, deren Wellenprofil mindestens eine, in den Rand gezogene Wellung aufweist, beidseitig von zwei Scheiben begrenzt ist, deren Wellungen des Wellenprofils vor dem Rand enden. Ein solcher Stapelscheiben-Wärmetauscher bietet die Möglichkeit, zwei unterschiedliche thermodynamische Bedingungen an den beiden Fluidseiten des Stapelscheiben-Wärmetauschers einzustellen, ohne dabei Turbulenzeinlagen zu benötigen oder einen externen Bypass zu installieren. Lediglich durch die Gestaltung der unterschiedlichen Wellungen werden in der Nähe des Randes der Scheiben entweder ein interner Bypass auf einer Fluidseite ausgebildet oder die thermodynamischen Bedingungen, wie Leistungs- und Druckverlust, durch die geänderte Geometrie an den beiden Fluidseiten unterschiedlich ausgestaltet.
Erfindungsgemäß weist jede zweite Scheibe Wellungen des Wellenprofils auf, die in den Rand gezogen sind. Damit können recht turbulente Strömungen erzeugt und somit variable thermodynamische Bedingungen auf einer Fluidseite des Wärmetauschers hergestellt werden. Durch die Kombination zweier unterschiedlicher Stapelscheiben-Ausbildungen in einem Wärmetauscherblock ist es möglich, einen internen Bypass auszubilden, welcher insbesondere zwischen der Wellung und dem Rand der Scheibe entsteht, wo die Wellungen vor dem Rand enden. Die zweite Scheibe, die diesen Bypass begrenzt und bei welcher die Wellungen in den Rand gezogen sind, bildet somit den Verschluss des Bypasses.
In einer Variante weisen die Scheiben ein sich wiederholendes Wellenprofil auf, welches sich im Wesentlichen quer zur Hauptdurchflussrichtung des Kühlmittels bzw. des zu kühlenden Mediums erstreckt. Mittels des Wellenprofils wird sichergestellt, dass der Strömungsverlauf des Kühlmittels bzw. des zu kühlenden Mediums über die Längserstreckung der Platten nicht geradlinig verläuft. Dadurch wird die Strömung in einem Hohlraum zwischen zwei Platten mehrfach umgelenkt, was dazu führt, dass das Kühlmittel bzw. das zu kühlende Medium besser über die Plattenbreite verteilt wird.
In einer Weiterbildung ist das Wellenprofil zick-zack-förmig um die Längserstreckung der Scheiben gewellt. Das zick-zack-förmig verlaufende Wellenprofil wird dabei durch die Schenkellänge, den Schenkelwinkel zwischen benachbarten Schenkeln sowie die Profiltiefe charakterisiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Wellenprofil als Einprägung in die aus einem wärmeleitenden Material bestehenden Scheiben ausgebildet. Da dieses Material vorzugsweise Aluminium ist, lassen sich die Einprägungen in einem Stanzprozess einfach und kostengünstig realisieren.
Vorteilhafterweise sind die aufeinander liegenden abgekröpften Ränder der Scheiben miteinander verlötet. Dies gewährleistet, dass kein Kühlmittel und auch kein zu kühlendes Medium aus dem Stapelscheiben-Wärmetauscher austreten können.
In einer weiteren Ausführungsform liegen sich die Durchgangsöffnungen zum Zuführen und zum Abführen des zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels jeder Scheibe diagonal gegenüber. Damit wird gewährleistet, dass das zu kühlende Medium bzw. das Kühlmittel die Scheiben großflächig durchströmen, weshalb ein guter Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlenden Medium und dem Kühlmittel gegeben ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Figurenliste
Nachstehend ist die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmetauschers mit einer ersten Scheibengestaltung,
2 das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmetauschers mit einer zweiten Scheibengestaltung,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmetauschers,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
5 Ausschnitt aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 4.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1, in welchem eine Draufsicht auf eine erste Scheibe 2 mit einer ersten Scheibengestaltung dargestellt ist. Jede der Scheiben 2 weist dabei ein Wellenprofil 4 auf, dessen Wellungen 42 vor dem Rand enden und welches in eine Grundplatte 5 eingeprägt ist. In der Nähe des Randes der Grundplatten 5 sind jeweils Durchführungsöffnungen 6, 7, 8, 9 angeordnet.
Die diagonal einander gegenüberliegenden Durchführungsöffnungen 6, 7 bzw. 8, 9 bilden ein Paar, wobei die Durchführungsöffnung 6 die Zufuhr für das Kühlmittel bildet, während die Durchführungsöffnung 7 den Abfluss des Kühlmittels darstellt. Entsprechend bildet die Durchführungsöffnung 9 die Zufuhr für das zu kühlende Medium, während die diagonal gegenüberliegende Durchführungsöffnung 8 die Abfuhr für das zu kühlende Medium darstellt. Die den Abfluss der Medien bildenden Durchführungsöffnungen 7, 8 sind dabei jeweils von einem Dom umrandet. Die Grundplatte 5 ist von einem umlaufenden gekröpften Rand 10 umgeben.
Die zweite Scheibe 3, deren Draufsicht in 2 gezeigt ist, unterscheidet sich von der ersten, in 1 gezeigten Scheibe 2 dadurch, dass diese zumindest stellenweise ein Wellenprofil 4 aufweist, bei welchem die Wellung 41 in den Rand 10 hineingezogen ist. Bei der ersten Scheibe 2 enden die Wellungen 42 des Wellenprofils 4 grundsätzlich vor dem Rand 10.
Ein Querschnitt durch die zweite Scheibe 3, bei welchem die Wellung 41 teilweise durch den Rand 10 gezogen und mit diesem verbunden ist, ist in 3 dargestellt. Die Wellung 41 ist dabei in Längsrichtung der zweiten Scheibe 3 zick-zack-förmig ausgebildet und geht in den Rand 10 über (Bereich A).
4 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmetauscher 1, bei welchem beispielhaft eine erste Scheibe 2 von zwei zweiten Scheiben 3 umgeben ist. Diese drei Scheiben 2, 3 liegen aufeinander auf, wobei die Ränder 10 miteinander verlötet sind. In der mittleren, ersten Scheibe 2, bei welcher die Wellung 42 vor dem Rand 10 endet, entsteht zwischen der letzten Wellung 42 und dem Rand 10 ein Zwischenraum 11, der als interner Bypass 12 benutzt wird. Dadurch, dass die Wellungen 41 der darüber und darunter liegenden zweiten Scheiben 3 direkt in den Rand 10 eingehen, bilden diese somit den Verschluss des Bypasses 12. Dieser Bypass 12 kann dabei auf beiden Seiten der Scheibe 2 ausgebildet sein.
5 zeigt noch einmal eine Vergrößerung der Kombination der Scheiben 2 und 3, bei welcher der Bypass 12 durch die nicht bis zum Rand reichende Wellung 42 der Scheibe 2 ausgebildet ist. Der Bypass 12 wird verschlossen durch die Wellung 41 der Scheiben 3, die direkt in den Rand 10 eingreifen.
In einen solchen Stapelscheiben-Wärmetauscher 1 kann der Druckabfall innerhalb eines Fluidkanals eingestellt werden. Dabei können zwei unterschiedliche thermodynamische Fluidseiten erzeugt werden. In der einen Fluidseite werden Leistungs- und Druckverlust reduziert, wodurch höhere Volumenströme erlaubt werden, auf der zweiten Fluidseite dient der Bypass als Leistungsverstärker bei höherem Druckverlust, was niedrigere Volumenströme nach sich zieht.

Claims

Stapelscheiben-Wärmetauscher, mit mehreren aufeinander gestapelten und miteinander verbundenen länglichen, ein Wellenprofil (4) aufweisenden Scheiben (2, 3), die einen Hohlraum zum Durchführen eines zu kühlenden Mediums in Längsrichtung der Scheiben (2, 3) aufweisen und einen weiteren Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels begrenzen, wobei annähernd in den Endbereichen jeder länglichen Scheibe (2, 3) Durchführungsöffnungen (6, 7, 8, 9) zum Zuführen oder Abführen des zu kühlenden Mediums oder des Kühlmittels ausgebildet sind und jede längliche Scheibe (2, 3) von einem abgekröpften Rand (10) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine n-te Wellung (41) des Wellenprofils (4) jeder Scheibe (2,3) nahe zum Rand (10), vorzugsweise in den Rand, gezogen ist, während die anderen Wellungen (42) des Wellenprofils (4) der Scheibe (2, 3) vor dem Rand (10) enden, wobei n = 2, 3, 4 etc, wobei die Scheiben (2, 3) in einem Block angeordnet sind, wobei jede zweite Scheibe (3), deren Wellenprofil (4) mindestens eine, in den Rand (10) gezogene Wellung (41) aufweist, beidseitig von zwei Scheiben (2) begrenzt ist, deren Wellungen (42) des Wellenprofils (4) vor dem Rand (10) enden.
Stapelscheiben-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede n-te Wellung (41) des Wellenprofils (4) jeder Scheibe (2,3) nahe zum Rand (10), vorzugsweise in den Rand, gezogen ist, wobei n = 2, 3, 4 etc.
Stapelscheiben-Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (2, 3) ein sich wiederholendes Wellenprofil (4) aufweisen, welches sich im Wesentlichen quer zur Hauptdurchflussrichtung des Kühlmittels bzw. des zu kühlenden Mediums erstreckt.
Stapelscheiben-Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenprofil (4) zick-zack-förmig um die Längserstreckungsrichtung der Scheiben (2, 3) gewellt ist.
Stapelscheiben-Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenprofil (4) als Einprägung in die, aus einem wärmeleitenden Material bestehenden Scheiben (2, 3) ausgebildet ist.
Stapelscheiben-Wärmetauscher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderliegenden abgekröpften Ränder (10) der Scheiben (2, 3) miteinander verlötet sind.
Stapelscheiben-Wärmetauscher nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchführungsöffnungen (6, 7; 8, 9) zum Zuführen und zum Abführen des zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels jeder Scheibe (2, 3) diagonal gegenüberliegen.