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Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher aus Aluminium.
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Die Druckschrift
EP 0 623 798 A2 beschreibt einen Öl-/Kühlmittel-Kühler mit aufeinandergestapelten wannenförmigen Wärmetauscherplatten. Durch die Verwendung von speziellen Ausführungsformen, bei denen turbulenzenerzeugende Erhebungen beziehungsweise abdichtende Ausprägungen in die Wärmetauscherplatten eingearbeitet sind, wird die Anzahl der Einbauteile, wie z. B. Turbulenzeinlagen oder Dichtscheiben verringert.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 036 951 A1 erläutert ebenfalls einen Ölkühler sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Durch die bessere Verteilung der durchströmenden Medien über die Plattenbreite, des als Plattenwärmeübertrager ausgebildeten Ölkühlers, wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen den Medien erreicht.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 001 828 A1 offenbart den Aufbau eines Stapelscheibenölkühlers, der unter Einsparung von Material bei gleichbleibender beziehungsweise gesteigerter Festigkeit eine reduzierte Bauhöhe aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen dauerfesten Plattenwärmetauscher zu schaffen, der ein geringeres Gewicht aufweist.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Plattenwärmetauscher aus Aluminium.
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Der Plattenwärmetauscher umfasst mindestens zwei ineinander gesteckte eine vorgebbare Materialdicke aufweisende als Strömungswannen ausgebildete Kühlrippenplatten. Die Strömungswannen sind über voneinander getrennte Ein- und Austrittskanäle zugänglich, wobei die Ein- und Austrittskanäle über mit Domen versehene Durchtrittsöffnungen in den Kühlrippenplatten definiert sind.
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In den Kühlrippenplatten einliegende eine vorgebbare Materialdicke und eine vorgebbare Teilung aufweisende Turbulenzbleche werden über die Ein- und Austrittskanäle von zwei wärmetauschenden Medien durchströmt.
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Der Plattenwärmetauscher umfasst ferner eine einends angeordnete materialverstärkte erste Endplatte mit einer Materialdicke.
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Ferner umfasst eine der Endplatte benachbarte von einem zweiten Medium durchströmte Kühlrippenplatte mit der vorgegebenen Materialdicke, deren einliegendes Turbulenzblech von dem zweiten Medium mit einem niedrigen Druck durchströmt wird, deren Dome an der Endplatte enden, wodurch das erste Medium mit einem hohen Druck an der Endplatte anliegt und in Abhängigkeit einer jeweils vorgebbaren Querschnittsfläche der jeweiligen Durchtrittsöffnungen der Dome eine hohe Druckkraft auf die Endplatte ausübt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dem Plattenwärmetauscher ein für eine materialreduzierte Konstruktion des Plattenwärmetauschers stehender standardisierter Material-Index, zugewiesen ist, der aus dem mathematischen Produkt folgender Kennwerte, der Materialdicke und der Teilung der Turbulenzbleche, der Materialdicke der Kühlrippenplatten, der Materialdicke der Endplatte und der Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen der Dome von der Mantelpatte benachbarten Kühlrippenplatte gebildet ist, wobei jeder Kennwert variabel aus einem festgelegten Wertebereich ausgewählt ist, mit der Maßgabe, dass der aus dem Produkt der ausgewählten Kennwerte gebildete Material-Index < 113 beträgt.
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Die Kennwerte werden in mm beziehungsweise wird die Querschnittsfläche in mm2 angegeben, so dass sich für den Material-Index < 113 eine Einheit in mm6 ergibt.
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Durch diese Ausgestaltung des Plattenwärmetauschers nach der Vorschrift des Patentanspruchs 1 ergibt sich in vorteilhafter Weise der Effekt, dass der Plattenwärmetauscher den gewünschten Druckbeanspruchungen stand hält und gleichzeitig materialreduziert ist, wobei die Kennwerte derart miteinander variiert werden können.
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Bevorzugt liegt der ausgewählte Kennwert der der Teilung der Turbulenzbleche in einem festgelegten Wertebereich, welcher die Grenzen von 4,5 mm (Maximalwert) und 3,0 mm (Minimalwert) aufweist.
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Bevorzugt liegt der ausgewählte Kennwert der Materialdicke der Turbulenzbleche in einem festgelegten Wertebereich, welcher die Grenzen von 0,25 mm (Maximalwert) und 0,1 mm (Minimalwert) aufweist.
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Ferner bevorzugt wird der Kennwert der Materialdicke der Kühlrippenplatten aus einem Wertebereich ausgewählt, welcher die Grenzen 0,5 mm (Maximalwert) und 0,3 mm (Minimalwert) aufweist.
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Bevorzugt ist ferner ein Wertebereich für die Materialdicke der Endplatte in den Grenzen zwischen einem (Maximalwert) von 1,6 mm und einem (Minimalwert) von 1,2 mm.
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Bevorzugt ist der jeweilige Kennwert der Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen der Dome, der von der Endplatte benachbarten Kühlrippenplatte aus einem Wertebereich ausgewählt, dessen Grenzen zwischen 165,2 mm2 (Maximalwert) und 38,5 mm2 (Minimalwert) gebildet werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchtrittsöffnungen der von der Endplatte benachbarten Kühlrippenplatte und dadurch der an die Durchtrittsöffnungen angeformten Dome kreisförmig, so dass sich der Kennwert der Querschnittsfläche durch Auswahl eines Durchmessers d aus dem Wertebereich, zwischen einem maximalen Durchmesser (Maximalwert) von 14,5 mm und einem minimalen Durchmesser (Minimalwert) von 7,0 mm ergibt.
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Die Erfindung ermöglicht es dem Anwender, durch Veränderung der Kennwerte in den beanspruchten Wertebereichen einen den materialreduzierten Standard erfüllenden Plattenwärmetauscher mit einem Material-Index < 113 mm6 auszulegen.
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Werden alle genannten Maximalwerte der Wertebereiche miteinander multipliziert, ergibt sich ein Material-Index von 148,6 mm6. Daraus folgt, dass mindestens einer der Kennwerte entsprechend angepasst werden muss, um die Maßgabe zu erfüllen.
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Die Vorschrift des Patentanspruchs 1 ermöglicht es dem Anwender, einen oder mehrere Kennwerte innerhalb der Wertebereiche entsprechend anzupassen, wodurch sich bei entsprechender Anpassung ein materialreduzierter Plattenwärmetauscher ergibt, der in den genannten Wertebereichen unabhängig von der vom Anwender gewählten Anpassung den nachfolgend erläuterten Druckbeanpruchungen bei der Baumusterfreigabe stand hält und der besser ist als die aus dem Stand der Technik bekannten Plattenwärmetauscher.
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Werden alle genannten Minimalwerte der Wertebereiche miteinander multipliziert, ergibt sich ein Material-Index von 4,1 mm6.
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Daraus folgt, dass alle Plattenwärmetauscher mit einem ganzzahligen Material-Index, der < 113 mm6 beträgt, zwischen ≤ 112 mm6 und ≥ 4 mm6 dem erfindungsgemäßen Standard entsprechen.
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Die Untersuchungen haben ergeben, dass insbesondere eine Verringerung der Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen der Dome oder anders gesagt der Kanalquerschnitte, insbesondere des Kanalquerschnitts des unter hohem Druck stehenden Mediums, einen besonders großen Effekt zur Einhaltung des ganzzahligen Material-Index zwischen ≤ 112 mm6 und ≥ 4 mm6 leistet, wie im Ausführungsbeispiel detailliert beschrieben ist.
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Durch Verringerung des Kanalquerschnitts tritt der positive Effekt ein, dass die Materialdicken der Turbulenzbleche und der Kühlrippenplatten und der Endplatte reduziert werden können, so dass der Material-Index < 113 mm6 leicht erreicht werden kann. Die Untersuchungen haben ergeben, dass die Reduzierung des Kanalquerschnitts überraschenderweise der einflussreichste Kennwert zur Ausgestaltung eines materialreduzierten, aber dauerfesten Plattenwärmetauschers ist. Die in den Turbulenzblechen ermittelten Vergleichsspannungen vor der Reduzierung des hochdruckseitigen Kanalquerschnitts und nach der Reduzierung des I hochdruckseitigen Kanalquerschnitts haben den Einfluss gezeigt. Es wird deswegen insbesondere vorgeschlagen, als Maximalwert des hochdruckseitigen Kanalquerschnitts den maximalen Durchmesser von 14,5 mm auszuwählen. Derzeit sind keine Plattenwärmetauscher der gattungsgemäßen Art bekannt, die einen derartig geringen hochdruckseitigen Kanalquerschnitt aufweisen. Bereits durch eine Auswahl der Kühlrippenplatte unter < 0,4 mm ist gemäß der Produkt-Formel der maßgebliche Material-Index < 113 mm6 erreicht.
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Es ist ferner erfindungsgemäß in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass durch Variation einer Höhe der Turbulenzbleche die Anzahl der verbaubaren Kühlrippenplatten verändert ist, wodurch der materialreduzierte Plattenwärmetauscher gleichzeitig leistungsoptimiert ist, wie in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Plattenwärmetauscher in einer perspektivischen Ansicht im Zusammenbauzustand;
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2 den Plattenwärmetauscher in einer perspektivischen Ansicht in einer Explosionsdarstellung;
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3–1 eine Kühlrippenplatte eines ersten Typs;
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3–2 eine Kühlrippenplatte eines zweiten Typs gemäß 3 und 8 in einer vergrößerten Draufsicht;
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4 den Plattenwärmetauscher in einer Schnittdarstellung;
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5 einen Detailausschnitt eines Schnittes durch ein Turbulenzblech;
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6 eine perspektivische Darstellung eine Teiles des Turbulenzbleches;
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7 einen Detailschnitt (Detail B gemäß 8) durch eine Kühlrippenplatte gemäß 3;
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8 eine Tabelle 1 mit einem Berechnungsbeispiel der Bauhöhe eines Plattenwärmetauschers nach dem Stand der Technik;
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8 eine Tabelle 2 mit einem Berechnungsbeispiel der Bauhöhe eines erfindungsgemäßen, insbesondere material- und leistungsoptimierten Plattenwärmetauschers;
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8 eine Tabelle 3 mit einem Berechnungsbeispiel der Bauhöhe eines erfindungsgemäßen, insbesondere materialoptimierten Plattenwärmetauschers.
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Für die Zwecke der Beschreibung wird eine Richtung eines Plattenwärmetauschers 100 mit „x” bezeichnet werden. Mit „y” wird die Richtung orthogonal zur x-Richtung in der gleichen Ebene bezeichnet, und mit „z” wird die Richtung in der Vertikalen orthogonal zu der zwischen x und y aufgespannten x/y-Ebene bezeichnet.
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Die 1 zeigt den Plattenwärmetauscher 100 im Zusammenbauzustand.
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Der Plattenwärmetauscher 100 ist als Plattenblock B ausgebildet, das heißt, im Zusammenbauzustand sind die einzelnen Wärmetauscherplatten miteinander in bekannter Weise zu einem Block verbunden, vorzugsweise verlötet.
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Die Wärmetauscherplatten werden nachfolgend als Kühlrippenplatten bezeichnet.
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Zu dem hier definierten Plattenblock B gehören eine verstärkte Kühlrippenplatte KRP2V und die Kühlrippenplatten KRP1 und KRP2 sowie eine nachfolgend als Mantelplatte bezeichnete Endplatte 101 oder in einigen Ausführungen die Mantelplatte 101 mit einem Einleger 103. Zwischen den Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 und KRP2V sind Turbulenzbleche TB1, TB2 angeordnet.
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Eine Höhe des Plattenblockes B mit den genannten Komponenten ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen HB gekennzeichnet.
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Zu dem Plattenwärmetauscher 100 gehört ferner eine Befestigungsplatte 102, die zumeist gemäß der vorgesehenen strukturseitigen Befestigung des Plattenwärmetauschers 100 individuell ausgestaltet ist und eine vorgebbare Materialdicke S5 aufweist, wozu später noch ergänzend ausgeführt wird.
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Die Mantelplatte 101 und die verstärkte Kühlrippenplatte KRP2V bilden die Endplatten des hier definierten Plattenblockes B, zwischen denen die Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 und Turbulenzbleche TB1, TB2 angeordnet sind.
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Alle genannten Komponenten des Plattenwärmetauschers 100 sind zur Reduzierung des Gewichts aus einem Aluminium-Material hergestellt. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten für einen Plattenwärmetauscher 100 aus einem Aluminium-Material.
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Die 2 zeigt den Plattenwärmetauscher 100 zumindest teilweise in einer Explosionsdarstellung.
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Die 3–1 zeigt eine der mehrfach angeordneten Kühlrippenplatten eines ersten Typs KRP1.
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Die 3–2 zeigt eine der mehrfach angeordneten Kühlrippenplatten eines zweiten Typs KRP2. Eine solche Kühlrippenplatte KRP2 des zweiten Typs ist als benachbarte Kühlrippenplatte KRP2B an der Mantelplatte 101 angeordnet und wird bezogen auf ihre Anordnung mit KRP2B bezeichnet. Eine solche Kühlrippenplatte KRP2 des zweiten Typs ist ebenfalls als Endplatte des definierten Plattenblockes B angeordnet und wird bezogen auf ihre Anordnung mit KRP2V bezeichnet. Diese Kühlrippenplatte KPR2V ist hinsichtlich ihrer Materialdicke S4 verstärkt ausgebildet, da sie als Endplatte keine Überdeckung durch eine weitere Kühlrippenplatte aufweist. Auf die Materialdicke S4 der verstärkten Kühlrippenplatte KPR2V wird nachfolgend noch eingegangen.
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Die 4 zeigt den Plattenwärmetauscher 100 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A gemäß 2.
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Für die nachfolgende Beschreibung bezüglich des beispielhaft gewählten Aufbaus des Plattenwärmetauschers 100 wird empfohlen, die 1 bis 4 in einer Zusammenschau zu betrachten.
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Der zur Erläuterung der Erfindung beispielhaft ausgewählte Plattenwärmetauscher 100 wird auf seiner in der Darstellung gezeigten Oberseite von der sogenannten Mantelplatte 101 und auf seiner in der Darstellung gezeigten Unterseite durch die Befestigungsplatte 102 begrenzt.
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Zwischen der Mantelplatte 101 und der Befestigungsplatte 102 sind von oben nach unten betrachtet die von der Mantelplatte 101 benachbarte Kühlrippenplatte KRP2B und anschließend die Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 im Wechsel angeordnet, wobei die unterste Kühlrippenplatte des Plattenblockes B die verstärkte Kühlrippenplatte KRP2V ist.
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Die Mantelplatte 101 weist bei einigen herkömmlichen Plattenwärmetauschern 100 einen Einleger 103 auf, siehe dazu den Schnitt A-A in der 4, der dazu dient, die Steifigkeit der Mantelplatte 101 zu erhöhen. Die Mantelplatte 101 weist einen Randsteg 101-1 auf. Der auf die Mantelplatte 101 wirkende Maximaldruck bildet das Auslegungskriterium für eine Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 beziehungsweise für die Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 und des Einlegers 103. Der Einleger 103 wird bei herkömmlichen Plattenwärmetauschern 100 nötig, wenn die auslegungsbedingte notwendige Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 eine Materialdicke S3 übersteigt, bei der die randseitige Umformung mit den notwendigen Radien des Randsteges 101-1 der Mantelplatte 101 nicht mehr möglich ist. Daraus wird bereits deutlich, dass die Mantelplatte 101 beziehungsweise die Mantelplatte 101 und der Einleger 103, aufgrund des hohen auf die Mantelplatte 101 wirkenden Druckes, gemeinsam in nachteiliger Weise zu einem erheblichen Teil zu dem Gewicht des Plattenwärmetauschers 100 insgesamt beiträgt/beitragen. Die Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 beziehungsweise der Mantelplatte 101 und des Einlegers 103 gemeinsam ist in 4 angetragen.
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Im Plattenwärmetauscher 100 strömen getrennt voneinander ein erstes fluides Wärmetauschermedium 1 und ein zweites fluides Wärmetauschermedium 2.
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Bei einem Plattenwärmetauscher 100 als Ölkühler für ein Kraftfahrzeug ist das erste Medium 1 Öl, insbesondere Motoröl oder Getriebeöl, während das zweite Medium 2 eine Kühlflüssigkeit, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch mit einem vorgebbaren Mischungsverhältnis ist. Das erste Medium 1 ist in diesem Fall das Wärme abgebende Medium, während das zweite Medium 2 die Wärme aufnimmt. Im Ölkühler 100 steht das erste Medium 1 unter einem hohen Druck p1 und das zweite Medium 2 unter einem geringeren Druck p2.
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Bei einem Plattenwärmetauscher 100 einer Kältemaschine, insbesondere einer Klimaanlage in einem Fahrzeug, ist das erste Medium 1 ein Kältemittel, während das zweite Medium 2 ebenfalls eine Kühlflüssigkeit oder Luft ist. Als Kühlflüssigkeit kommt insbesondere reines Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch zum Einsatz. Als Kältemittel ist beispielsweise das Refrigerant mit der Handelsbezeichnung R134a/1234 und der chemischen Bezeichnung 2,3,3,3-Tetrafluorpropen vorgesehen. In diesem zweiten Fall ist das zweite Medium 2 das Wärme abgebende Medium, während das erste Medium 1 die Wärme aufnimmt. In einem solchen Plattenwärmetauscher 100 steht ebenfalls das erste Medium 1 unter einem hohen Druck p1 und das zweite Medium 2 unter einem geringeren Druck p2.
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Für die druckseitige Auslegung sind somit stets die Komponenten der Plattenwärmetauscher 100 zu beachten, die unter hohem Druck p1 stehen, das heißt, die das erste Medium 1 führenden Komponenten sind für die Druckauslegung und die Wahl der Materialdicken besonders relevant.
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Die Zulauföffnungen 1ZU, 2ZU und Ablauföffnungen 1AB, 2AB der fluiden Wärmetauschermedien 1, 2 des Plattenwärmetauschers 100 in der Befestigungsplatte 102 sind im Ausführungsbeispiel folgendermaßen angeordnet.
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Die Zulauföffnung 1ZU und die Ablauföffnung 1AB des ersten Mediums 1 in den Plattenblock B des Plattenwärmetauschers 100 und die Zulauföffnung 2ZU und die Ablauföffnung 2AB des zweiten Mediums 2 aus dem Plattenblock B des Plattenwärmetauschers 100 sind im Ausführungsbeispiel diagonal angeordnet, wodurch auch die Befestigungsplatte 102 diese diagonale Anordnung aufweist.
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Der Plattenblock B des Plattenwärmetauschers 100 ist aus mehreren ineinander gesteckten Kühlrippenplatten KRP des ersten und zweiten Typs 1, 2 aufgebaut, die jeweils einen hochgezogenen, umlaufenden Randsteg 12, 22 bilden.
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Diese Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 weisen einander paarweise zugeordnete Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und 2Z, 2A für die wärmetauschenden Medien 1 und 2 auf.
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Durch den jeweils ausgebildeten umlaufenden Randsteg 12, 22 bildet jede der Kühlrippenplatten KRP1 und KRP2 (KRP2B, KRP2V) eine Art Strömungswanne. Der jeweilige Randsteg 12, 22 ist derart ausgebildet, dass er den Randsteg 12, 22 der jeweils benachbarten Kühlrippenplatte KRP1, KRP2 übergreift. Wie erwähnt bildet auch die Mantelplatte 101 als Endplatte einen entsprechenden Randsteg 101-1.
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Die in den 2 und 3–1 in der Explosionsdarstellung gezeigte Kühlrippenplatte KRP1 des ersten Typs für das erste Medium 1 ist bezüglich des Durchtrittsöffnung-Zulaufs 1Z und des Durchtrittsöffnung-Ablaufs 1A analog zu der Zulauföffnung 1ZU und der Ablauföffnung 1AB in einer ersten Diagonalen angeordnet. Die Diagonale bezieht sich auf die diagonal zueinander angeordneten Dome 11, die im Zusammenbauzustand den Eintritt des zweiten Mediums 2 in die erste Kühlrippenplatte KRP1 verhindern, so dass in der als Strömungswanne ausgebildeten Kühlrippenplatte KRP1 die sogenannten Lagen des ersten Mediums 1 (die sogenannten Ölmittellagen) ausgebildet sind.
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Die in den 2 und 3–2 gezeigten Kühlrippenplatten KRP2, KRP2B des zweiten Typs für das zweite Medium 2 sind bezüglich des Durchtrittsöffnung-Zulaufs 2Z und des Durchtrittsöffnung-Ablaufs 2A in einer zweiten Diagonale angeordnet. Die Diagonale bezieht sich auf die diagonal zueinander angeordneten Dome 21, die den Eintritt des ersten Mediums 1 in die Kühlrippenplatten KRP2 (KRP2B, KRP2V) verhindern, sodass in den als Strömungswanne ausgebildeten Kühlrippenplatten KRP2 die Lagen des zweiten Mediums 2 (die sogenannten Kühlmittellagen) ausgebildet sind.
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Die Diagonalen in den entsprechenden Lagen (Ölmittellage und Kühlmittellage) kreuzen sich, so dass es sich im Ausführungsbeispiel um einen von den Wärmetauschermedien 1, 2 in den verschiedenen Ebenen liegenden Ölmittellagen und Kühlmittellagen diagonal durchströmten Plattenwärmetauscher 100 handelt.
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Die Erfindung gilt auch für Plattenwärmetauscher 100 mit gleichgerichteter oder entgegengesetzter paralleler Durchströmung der Wärmetauschermedien 1, 2, insofern stellt der dargestellte Plattenwärmetauscher 100 nur ein Ausführungsbeispiel dar, worauf ausdrücklich hingewiesen wird.
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Die Anordnung der Kühlrippenplatten KRP1 und KRP2 (KRP2B, KRP2V) ist derart getroffen, dass die Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und 2Z, 2A im Bereich der tiefgezogenen Dome 11 der Kühlrippenplatte KRP1 vom ersten Typ beziehungsweise im Bereich der tiefgezogenen Dome 21 der zweiten Kühlrippenplatten KRP2 (KRP2B, KRP2V) vom zweiten Typ liegen, deren Domhöhe dem Abstand zwischen den benachbarten Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 (KRP2B, KRP2V) der beiden Typen entspricht.
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Da die Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und 2Z, 2A kleiner als der Boden der Dome 11, 21 der Kühlrippenplatten KRP1 beziehungsweise KRP2 (KRP2B, KRP2V) sind, ergibt sich zwischen den Böden der vorragenden Dome 11, 21 benachbarter Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 eine die dichte Verbindung der Dome 11, 21 unterstützende flächige Anlage um den jeweiligen Öffnungsrand der Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und 2Z, 2A.
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Die Dome 11, 21 sind im Ausführungsbeispiel im Bereich der fluchtenden Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und 2Z, 2A diagonal versetzt immer auf den gleichen Plattenseiten der typisierten Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 vorgesehen, so dass sich über die Dome 11, 21 jeweils fluiddichte Durchtritte für jedes der beiden Medien 1, 2 durch jede zweite Kühlrippenplatte KRP1 vom ersten Typ und jede zweite Kühlrippenplatte KRP2 (KRP2B, KRP2V) vom zweiten Typ ergeben.
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Dabei liegen die Dome 11 für den Durchtritt einer als Strömungswanne ausgebildeten das erste Medium 1 führenden Kühlrippenplatte KRP1 (Ölmittellage) gegenüber den Domen 21 einer als Strömungswanne ausgebildeten das zweite Medium 2 führenden Kühlrippenplatte KRP2 (KRP2B, KRP2V) (Kühlmittellage) im Ausführungsbeispiel immer auf den gleichen Plattenseiten, wobei die Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 jeweils in verschiedenen aufeinanderfolgenden x/y-Ebenen liegen.
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Wird beispielsweise das erste Medium 1 durch die Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und das zweite Medium 2 durch die Durchtrittsöffnungen 2Z, 2A geleitet, wobei die wärmetauschenden Medien 1, 2 im Ausführungsbeispiel im diagonalen Gegenstrom, die als Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 ausgebildeten Strömungswannen durchströmen, so ergibt sich die gemäß 4 (Schnitt A-A nach 2) für das erste Medium 1 durch den Pfeil P1 und für das zweite Medium 2 durch den Pfeil P2 angedeutete Strömung in einem Ablaufkanal K1AB für das erste Medium 1 und einem Ablaufkanal K2AB für das zweite Medium 2. Die entsprechenden Zulaufkanäle für das erste Medium 1 und das zweite Medium 2 sind im Schnitt A-A der 4 nicht sichtbar.
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Die Strömung hängt hinsichtlich ihrer Verteilung über die Flächen der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 (KRP2B, KRP2V) von der Anordnung von den in den Strömungswannen eingelegten Turbulenzblechen TB1, TB2 ab.
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Die in den 2 und 4 mit den entsprechenden Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und 2Z, 2A dargestellten Turbulenzbleche TB1, TB2 liegen beidseitig an den benachbarten Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 an. Die Turbulenzbleche TB1, TB2 weisen eine Höhe HTB auf, die der Höhe der Dome 11, 21 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 entspricht, wenn in beiden Kühlrippenplatten KRP1, KRP2, wie in den 2 sowie den 3–1 und 3–2 gezeigt, Dome 11, 21 ausgebildet sind, deren Höhe sich im Zusammenbauzustand gemäß einem ersten Bauprinzip von einer Kühlrippenplatte KRP1 bis zu nächsten Kühlrippenplatte KRP2 erstreckt.
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Bei einem zweiten Bauprinzip weisen die Turbulenzbleche TB1, TB2 die gleiche Höhe HTB auf, wobei die Höhe der Dome 11, 21 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 jedoch nur ½ der Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 entspricht, wenn in beiden Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 Dome 11, 21 ausgebildet sind, die zueinander gerichtet sind und sich im Zusammenbauzustand der Kühlrippenplatten zwischen zwei Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 treffen.
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Daraus wird deutlich, dass die Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 für beide Bauprinzipien gleichermaßen gilt oder mit anderen Worten von dem jeweiligen Bauprinzip unabhängig ist.
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Jeweils ein erstes Turbulenzblech TB1 liegt (siehe insbesondere die 2 und 4) in der jeweiligen ersten Kühlrippenplatte KPR1 und jeweils ein zweites Turbulenzblech TB2 liegt in der jeweiligen zweiten Kühlrippenplatte KRP2 (KRP2B, KRP2V). Das heißt, die ersten Turbulenzbleche TB1 liegen im Ausführungsbeispiel in der das erste Medium 1 führenden Lage (Ölmittellage) und die zweiten Turbulenzbleche TB2 in den das zweite Medium 2 führenden Lagen (Kühlmittellagen).
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Beide Turbulenzbleche TB1 und TB2 mit der Gesamthöhe HTB weisen, wie ein vorausschauender Blick auf 5 verdeutlicht, eine sinusförmige Geometrie mit mehreren Amplituden der Höhe H+ und H– auf.
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Zwischen zwei positiven Amplituden der Höhe H+ beziehungsweise zwei negativen Amplituden der Höhe H– liegt ein festgelegter periodisch wiederkehrender Abstand, der im Zusammenhang mit Turbulenzblechen TB1, TB2 als Teilung T des Turbulenzbleches TB1, TB2 bezeichnet wird.
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In den Turbulenzblechen TB1, TB2 sind mehrere Längsreihen reihenweise gegeneinander versetzt und sinusförmig aus der x/y-Ebene als Zwischenabschnitte ZA ausgebogen, wie den 5 und 6 entnommen werden kann.
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Werden diese Turbulenzbleche TB1, TB2 in x-Richtung der Längsreihen angeströmt, so ergibt sich der größte Strömungswiderstand, da in dieser Anströmrichtung die Zwischenabschnitte ZA keinen Durchtritt freigeben. In Querrichtung y ist somit der geringste Strömungswiderstand gegeben.
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Durch eine entsprechende Neigung beziehungsweise Schrägstellung der Reihen innerhalb der x/y-Ebene gegenüber der sich zwischen dem Zu- und Ablauf 1ZU, 1AB beziehungsweise 2ZU, 2AB gewählten Hauptströmungsrichtung für das erste Medium 1 beziehungsweise für das zweite Medium 2 kann somit der jeweils günstigste Strömungswiderstand in Bezug auf die im Ausführungsbeispiel diagonal in der x/y-Ebene verlaufende Hauptströmungsrichtung eingestellt und ein optimales Verhältnis der Kühlleistung zum Strömungswiderstand erreicht werden.
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Ein herkömmlicher Plattenwärmetauscher
100 der Anmelderin weist zusammengefasst als Ausgangspunkt für die materialreduzierte Auslegung und Konstruktion des Plattenwärmetauschers
100 folgende wichtige Kennwerte auf..
| Teilung T der Turbulenzbleche TB1, TB2 in mm | 4,3 |
| Materialdicke S1 der Turbulenzbleche TB1 und TB2 in mm | 0,3 |
| Materialdicke S2 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 in mm | 0,63 |
| Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 (inklusive Einleger 103) in mm | 1,6 |
| Querschnitt der Anstromfläche A1 des ersten Mediums 1 an der | |
| Mantelplatte 101 in mm2 | 165 |
| Materialdicke S4 der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V in mm | 1,2 |
| Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 in mm | 2,4 |
| Bauhöhe HB des Plattenblockes B in mm | 49,41 |
| Anzahl der Kühlmittellagen KRP2/Anzahl der Ölmittellagen KRP1 | 8/7 |
| Gewicht eines Plattenblockes B des Plattenwärmetauschers 100 in g | 454 (100%) |
| Gewicht des Plattenwärmetauschers 100 gesamt in g mit | |
| Befestigungsplatte 102 | 566 (100%) |
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Die Teilung T der Turbulenzbleche TB1, TB2 bei einer Höhe HTB von 2,4 mm beträgt beispielsweise 4,3 mm. Die Materialdicke S1 der Turbulenzbleche TB1, TB2 beträgt beispielsweise 0,3 mm. Die Materialdicke S2 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 beträgt beispielsweise 0,63 mm. Die Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 im Ausführungsbeispiel inklusive Einleger 103 beträgt 1,6 mm. Die Materialdicke S4 einer verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V beträgt 1,2 mm. Eine Anströmfläche A1 des ersten Mediums 1 an der Mantelplatte 101 beträgt beispielsweise 165 mm2. Zum Block B gehören die verstärkte Kühlrippenplatte KRP2V mit einer Materialdicke S4 von 1,2 mm und die Kühlrippenplatten KRP1 und KRP2 sowie die Mantelplatte 101 beziehungsweise die Mantelplatte 101 mit dem Einleger 103. Die Bauhöhe HB des Blockes B beträgt gemäß der Tabelle 1 in 8 bei acht zweiten Kühlrippenplatten KRP2 (Kühlmittellagen) und sieben ersten Kühlrippenplatten KRP1(Ölmittellagen) = 49,41 mm.
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Ein derartig ausgebildeter Plattenblock B wiegt unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V circa 454 g. Dieser Wert wird nachfolgend als erster Vergleichswert (100%) bezeichnet.
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Das Gewicht des Plattenblockes B des Plattenwärmetauschers 100 unter Berücksichtigung der Befestigungsplatte 102 mit einer Materialstärke S5 von 4,0 mm beträgt als zweiter Vergleichswert (100%) circa 566 g.
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Die derzeitigen Anforderungen an die Dauerfestigkeit eines Plattenwärmetauschers 100 für Personenkraftwagen und Nutzfahrzeuge zu einer erfolgreichen Baumusterfreigabe bilden die Grundlage für die nachfolgenden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers 100, der nachfolgend nur noch als Wärmetauscher 100 bezeichnet wird.
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Eine Baumusterfreigabe erfolgt unter Einhaltung einer Druckschwellbeanspruchung auf der Hochdruckseite p1 des Wärmetauschers 100 von 2–22 bar, bei einer Temperatur von 135°C bei mindestens 100000 Lastwechseln.
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Bisher wurden die stetig steigenden Anforderungen, insbesondere die Anforderung hinsichtlich des Druckanstieges auf der Hochdruckseite p1 bis zu 22 bar durch Materialmehreinsatz und beispielsweise durch das Hinzufügen von Zusatzbauteilen, wie beispielsweise dem genannten Einleger 103, zur Stabilisierung der Mantelplatte 101 oder dergleichen erfüllt. Es versteht sich, dass auf diesem Weg das Gewicht des Ölkühlers 100 und die Kosten nicht reduziert werden können.
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Gemäß der Erfindung wird wie folgt vorgegangen.
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Die Materialdicke S5 und Ausgestaltung der Befestigungsplatte 102 mit der Zulauföffnung 1ZU und der Ablauföffnung 1AB für das erste Medium 1 sowie der Zulauföffnung 2ZU und der Kühlmittel-Ablauföffnung 2AB des zweiten Mediums 2 wird nicht verändert, da die für den stabilen Anschluss der Medien 1, 2 an den Wärmetauscher 100 notwendigen Wanddicken der Befestigungsplatte 102 nicht mehr weiter reduziert werden können. Die Materialdicke S5 der Befestigungsplatte 102 beträgt zwischen 3,0 mm und 6,0 mm und beträgt im Ausführungsbeispiel beispielsweise 4,0 mm.
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Es wurden umfangreiche Untersuchungen vorgenommen, um festzustellen, welche Änderungen an der Konstruktion des Plattenwärmetauschers 100 mit welchem Beitrag eine Materialreduzierung des Wärmetauschers 100 erlauben. Die Untersuchungen wurden anhand von an den Turbulenzblechen TB1, TB2 auftretenden Vergleichsspannungen durchgeführt.
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Aufgrund der daraus gewonnenen Erkenntnisse, ist es möglich, den Materialeinsatz für die Herstellung eines Wärmetauschers 100 zu verringern und die Kosten zu senken, wobei die Versuche ergeben haben, dass gleichzeitig die Baumusterfreigabe unter Berücksichtigung der Druckschwellbeanspruchung auf der Ölseite des Wärmetauschers 100 von 2–22 bar, bei einer Temperatur von 135°C und bei mindestens 100000 Lastwechseln gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß werden an den zuvor genannten Kennwerten T, S1, S2, S3, A1 Optimierungsmaßnahmen vorgenommen, die nachfolgend nacheinander erläutert werden.
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Die Kennwerte sind in den 4 bis 8 verdeutlicht, wobei wiederum empfohlen wird, die Figuren in einer Zusammenschau zu betrachten.
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Es wird vorausgeschickt, dass jedem Kennwert ein Kennwertebereich zugeordnet ist, aus dem der Kennwert ausgewählt wird. Er wird ferner nochmals betont, dass die genannten Optimierungsmaßnahmen nicht nur für die Diagonal-Bauart des oben beschriebenen Plattenwärmetauschers 100 mit einseitig angeordnetem Zulauf und Ablauf 1ZU, 1AB, 2ZU, 2AB gelten, sondern, dass die Kennwerte und Kennwertebereiche auf alle gattungsgemäßen Plattenwärmetauscher 100 aus Aluminium übertragbar sind, unabhängig von der Strömungsrichtung der Medien 1, 2 und unabhängig von der Anordnung der Medien-Anschlüsse beziehungsweise unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des ersten und zweiten Mediums 1, 2.
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Die nachfolgenden Erläuterungen gelten jedoch nur unter der Bedingung, dass der Plattenblock B, wie in 2 und 4 dargestellt ist, auf der Seite der Mantelplatte 101 mit der benachbarten zweiten Kühlrippenplatte KRP2B ausgebildet ist. Das heißt, zwischen der Mantelplatte 101 und der ersten benachbarten Kühlrippenplatte KRP2B ist eine Kühlmittellage ausgebildet, so dass querschnittsabhängig und druckabhängig nur die Zulauf- und Ablaufdurchtrittsöffnungen 1Z, 1A der benachbarten Kühlrippenplatte KRP2B eine hochdruckseitige Krafteinwirkung des ersten Mediums 1 auf die Mantelplatte 101 bewirken können.
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Die Optimierung der Teilung T der Turbulenzbleche TB1, TB2:
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Erfindungsgemäß ist für die Teilung T der vorzugsweise sinusförmigen Turbulenzbleche TB1, TB2 ein optimierter Kennwertbereich zwischen Tmax von maximal 4,5 mm und Tmin von minimal 3,0 mm vorgesehen. In diesem Kennwertbereich wird an den Turbulenzblechen TB1, TB2 in der Hauptströmungsrichtung ein Strömungswiderstand erzeugt, bei dem ein optimales Verhältnis zwischen dem Strömungswiderstand und der Kühlleistung erreicht wird. in einer alternativen Ausgestaltung sind die Turbulenzbleche TB1, TB2 trapezförmig. Auf die trapezförmigen Turbulenzbleche TB1, TB2 sind die genannten Werte analog übertragbar.
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Die Optimierung der Materialdicke S1 der Turbulenzbleche TB1, TB2:
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Erfindungsgemäß ist, wie in 5 und 6 verdeutlicht ist, ein optimierter Kennwertbereich zwischen S1max von 0,25 mm und S1min von minimal 0,1 mm vorgesehen. In diesem Kennwertebereich halten die Turbulenzbleche TB1, TB2 der geforderten Druckbeanspruchung stand und weisen somit eine ausreichende gewichts- und kostensparende Materialdicke S1 auf.
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Die Optimierung der Materialdicke S2 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 (KRP2B):
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Erfindungsgemäß ist, wie in 7 anhand des Details B gemäß dem Schnitt in 3–2 anhand eines Schnittes durch eine zweite Kühlrippenplatte KRP2 verdeutlicht ist, eine optimale Materialdicke S2 zwischen S2max von maximal 0,5 mm und S2min von minimal 0,3 mm vorgesehen.
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Diese Kennwerte gelten für alle zweiten Kühlrippenplatten KRP2 (KRP2B), jedoch nicht für die verstärkte Kühlrippenplatte KRP2V, und analog für die ersten Kühlrippenplatten KRP1.
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In diesem Kennwertbereich werden die an den Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 (KRP2B) angreifenden Kräfte schadlos aufgenommen, wie die entsprechenden Untersuchungen gezeigt haben. Diese Materialdicke S2 zwischen S2max von 0,5 mm und S2min von minimal 0,3 mm weist bezüglich der geforderten Druckbeanspruchung eine ausreichende gewichts- und kostensparende Materialdicke S2 auf.
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Die Optimierung der Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 KRP1, KRP2:
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Erfindungsgemäß ist, wie in 4 verdeutlicht ist, ein optimierter Kennwertbereich zwischen S3max von maximal 1,6 mm und S3min von minimal 1,2 mm vorgesehen. Innerhalb dieses optimierten Kennwertebereiches ist eine Umformung des Randsteges 101-1 der Mantelplatte 101 möglich, so dass erfindungsgemäß auf einen Einleger 103 verzichtet werden kann, wodurch ebenfalls Gewicht und Kosten eingespart werden.
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Die Optimierung der Anströmfläche A1 des ersten Mediums 1 an die Mantelplatte 101:
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Schließlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, wie in 7 anhand des Details B gemäß der 3–2 für eine von der Mantelplatte 101 benachbarte Kühlrippenplatte KRP2B verdeutlicht ist, dass die Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A für das erste Medium 1 eine Querschnittsfläche A1 zwischen A1max von maximal 165,2 mm2 und A1 min von minimal 38,5 mm2 aufweisen können.
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Dieser optimierte Kennwertbereich wird auch für die die Zulauf- und Ablauföffnungen 1ZU, 1AB des ersten Mediums 1 in der Befestigungsplatte 102 und die Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A der ersten Kühlrippenplatten KRP1 sowie den Durchtrittsöffnungen 2Z, 2A der anderen zweiten Kühlrippenplatten KRP2 (KPR2B, KRP2V) analog verwendet.
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Zumeist, jedoch nicht zwingend, werden nämlich für die Zulauf- und Ablauföffnungen 2ZU, 2AB und die Durchtrittsöffnungen 2Z, 2A für das zweite Medium 2 im Wärmetauscher 100 die gleichen Querschnittsflächen gewählt. Das gilt sowohl für die Zulauf- und Ablauföffnungen 2ZU, 2AB des zweiten Mediums 2 in der Befestigungsplatte 102 und die Durchtrittsöffnungen 2Z, 2A der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V als auch für die anderen nicht verstärkten Kühlrippenplatten KRP2 (KRP2B) des zweiten Typs.
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Für die Auslegung der Mantelplatte 101 des Plattenwärmetauschers 100 sind jedoch die Querschnittsflächen A1 der Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und der Zulauf- und Ablauföffnungen 1ZU, 1AB des ersten Mediums 1 von besonderer Bedeutung, da in Abhängigkeit der Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und in Abhängigkeit des hohen Druckes p1 des ersten Mediums 1 von bis zu 22 bar die höchsten zu erwartenden Kräfte auftreten, wie nachfolgend erläutert ist.
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Dadurch, dass der Plattenblock B, wie in 2 und 4 dargestellt ist, auf der Seite der Mantelplatte 101 mit der benachbarten zweiten Kühlrippenplatte KRP2B, das heißt mit der Kühlmittellage endet, werden die auf die Mantelplatte 101 wirkenden Kräfte von den Querschnittsflächen A1 der von der Mantelplatte 101 verschlossenen Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A der endseitigen zweiten Kühlrippenplatte KRP2B und dem dort anliegenden hohen Druck p1 bestimmt.
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Die Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A der endseitigen zweiten Kühlrippenplatte KRP2B grenzen mit ihren zur Mantelplatte 101 hin offenen Domen 21 an der den Domen 21 zugewandten Fläche der Mantelplatte 101 an. Das bedeutet, dass die auf die Mantelplatte 101 wirkenden hohen Kräfte F von den auf die Mantelplatte 101 wirkenden Flächen A1 der Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A und dem zugehörigen Druck p1 zwischen 2 und 22 bar bestimmt werden.
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Die Flächen A1 sind in 2 mit strichlinienartigen Kreisen angedeutet und mit dem Bezugszeichen p1 versehen. Es wird verdeutlicht, dass in diesem Wirkbereich die für die Auslegung relevanten höchsten Kräfte F auf die Mantelplatte 101 wirken.
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Bei den gemäß dem Ausführungsbeispiel kreisrunden Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A hängen die auf die Mantelplatte 101 wirkenden Kräfte F gemäß Formel [1] somit von der mechanischen Spannung σ (sigma) ab, die pro Flächeneinheit auf die Mantelplatte 101 wirkt, das heißt bei kreisrunden Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A hängt die Querschnittsfläche A1 von dem Durchmesser d der Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A der endseitigen zweiten Kühlrippenplatte KRP2B ab. F = σ·A1 [1] A1 = (π·d2)/4 [2]
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Zwischen dem Durchmesser d und der auf die Mantelplatte 101 wirkenden Kraft F besteht (Formel [2]) somit ein quadratischer Zusammenhang, wie aus den Formeln 1 und 2 deutlich wird. Es wird somit unter den genannten Bedingungen entgegen der üblichen Vorgehensweise vorgeschlagen, den jeweiligen Durchmesser d der Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A der endseitigen zweiten Kühlrippenplatte KRP2B in Abhängigkeit eines noch akzeptablen Druckverlustes möglichst klein zu wählen.
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Die die Durchtrittsöffnungen 1Z, 1A für alle ersten und zweiten Kühlrippenplatten KRP1 und KRP2 analog zu der von der Mantelplatte 101 benachbarten Kühlrippenplatte KRP2B gleich groß gewählt werden, ergeben sich in den Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 (KRP2V, KRP2B) Eintrittskanäle für das erste Medium 1 mit den Durchtrittsöffnungen 1Z und Austrittskanäle für das erste Medium 1 mit den Durchtrittsöffnungen 1A mit der jeweiligen Querschnittsfläche A1 zwischen A1 max von maximal 165,2 mm2 und A1 min von minimal 38,5 mm2.
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Bei den oben genannten Untersuchungen hat es sich gezeigt, dass sich in dem genannten Kennwertebereich ausgehend von einer maximalen Querschnittsfläche A1 max bei kleiner werdenden Querschnittsflächen bis zur minimalen Querschnittsfläche A1 min je nach Anwendungsfall ein noch akzeptabler Druckverlust in den Ein- und Austrittskanälen ergibt, bei dem in vorteilhafter Weise durch Reduzierung der Querschnittsflächen eine starke Reduzierung der auf die Fläche der Mantelplatte 101 wirkenden Kräfte F bewirkt wird.
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Die erfindungsgemäße Erkenntnis der Untersuchungen besteht somit darin, dass es möglich ist, den genannten Komponenten, den Turbulenzblechen TB1, TB2, den Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 (KRP2B) und der Mantelplatte 101 optimierte Kennwerte in vorgegebenen Kennwertbereichen zuzuweisen, bei denen die Dauerfestigkeit des Plattenwärmetauschers 100 bei geringerem Gewicht gewährleistet ist.
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Dadurch wird gemäß der Aufgabe der Erfindung Material gespart, das Gewicht reduziert und es werden die Herstellungskosten gesenkt.
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Dabei hat sich herausgestellt, dass die Zuweisung der optimierten Kennwerte beziehungsweise Kennwertbereiche zu einem neuen Standard für Plattenwärmetauscher 100 führt..
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Die Anmelderin verwendet diesen sogenannten „VW-Standard zur Auslegung der materialreduzierten Konstruktion” von Plattenwärmetauschern 100 wie folgt: Der VW-Standard weist einem Plattenwärmetauscher 100 einen Index I auch „Material-Index” genannt zu, der von den genannten Kennwerten T, S1, S2, S3 und A1 abhängig ist, mit der Maßgabe, dass der aus dem Produkt der Kennwerte gebildete Material-Index (I) < 113 mm6 beträgt.
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Der Index I berechnet sich nach der Produkt-Formel [3]. I = T·S1·S2·S3·A1 [3]
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Ein Beispiel mit Kennwerten eines Wärmetauschers
100 nach dem Stand der Technik:
| T | in mm | 4,0 |
| S1 | in mm | 0,2 |
| S2 | in mm | 0,5 |
| S3 | in mm | 1,6 |
| A1 | in mm2 | 176,7 |
| | | (d = 15,0 mm) |
| I | in mm6 | 113 |
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Dieser herkömmliche Wärmetauscher 100 weist den erfindungsgemäßen Material-Index I nicht auf. Die Kombination der gewählten Kennwerte erfüllt die Kriterien des VW-Standards nicht, da der Index 113 mm6 größer ist als der geforderte Material-Index (I) < 113 mm6. Mit anderen Worten, hinsichtlich der Materialreduzierung erfüllt dieser herkömmliche Wärmetauscher 100 nicht den Standard.
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Ein Beispiel mit Kennwerten eines Wärmetauschers
100 gemäß der Erfindung:
I = T·S1·S2·S3·A1 [3] | T | in mm | 4 |
| S1 | in mm | 0,2 |
| S2 | in mm | 0,35 |
| S3 | in mm | 1,6 |
| A1 | in mm2 | 63,6 |
| | | (d = 9,0 mm) |
| I | in mm6 | 28,5 |
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Ein weiteres Beispiel mit Kennwerten eines Wärmetauschers
100 gemäß der Erfindung:
I = T·S1·S2·S3·A1 [3] | T | mm | 4,3 |
| S1 | mm | 0,25 |
| S2 | mm | 0,35 |
| S3 | mm | 1,6 |
| A1 | mm2 | 165,2 |
| | | (d = 14,5 mm) |
| I | mm6 | 99,4 |
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Die Erfindung ermöglicht es, wie zuvor erläutert, die Grenzbereiche hinsichtlich der Materialreduzierung für den neuen VW-Standard der Plattenwärmetauscher 100 festzulegen, wobei ausgehend von dieser Erkenntnis durch Variation der Kennwerte T, S1, S2, S3 und A1 der Kennwerte der Materialeinsatz oder der Materialeinsatz und die Leistung des Wärmetauschers 100 innerhalb der Grenzen optimiert werden können.
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Nachfolgend wird ein materialoptimierter und gleichzeitig leistungsoptimierter Plattenwärmetauscher 100 vorgestellt.
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Ein bevorzugter materialreduzierter und leistungsoptimierter Plattenwärmetauscher
100 der Anmelderin weist jetzt beispielsweise folgende Kennwerte auf.
I = T·S1·S2·S3·A1 [3] | T | mm | 4,0 |
| S1 | mm | 0,2 |
| S2 | mm | 0,42 |
| S3 | mm | 1,6 |
| A1 | mm2 | 154 |
| | | (d = 14,0 mm) |
| I | mm6 | 82,8 |
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Als weiterer Kennwert wird neben der Materialoptimierung zur Leistungsoptimierung die Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 (5) von bisher 2,4 mm auf nur noch 2,0 mm reduziert.
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Dadurch ergeben sich für den erfindungsgemäßen material- und leistungsoptimierten Wärmetauscher
100 folgende Werte.
| Teilung T der Turbulenzbleche TB1, TB2 in mm | 4,0 |
| Materialdicke S1 der Turbulenzbleche TB1 und TB2 in mm | 0,2 |
| Materialdicke S2 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 in mm | 0,42 |
| Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 (inklusive Einleger 103) in mm | 1,6 |
| Querschnitt der Anströmfläche A1 des ersten an der Mantelplatte 101 in mm2 | 154 |
| Materialdicke S4 einer verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V in mm | 1,2 |
| Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 in mm | 2,0 |
| Bauhöhe He Plattenblock B in mm | 50,5 |
| Anzahl der Kühlmittellagen KRP2/Anzahl der Ölmittellagen KRP1 | 10/9 |
| Gewicht eines Plattenblockes B des Plattenwärmetauschers 100 in g | 401 (88%) |
| Gewicht des Plattenwärmetauschers 100 gesamt in g | 536 (95%) |
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Die Teilung T der Turbulenzbleche TB1, TB2 bei einer Höhe HTB von 2,0 mm beträgt beispielsweise 4,0 mm. Die Materialdicke S1 der Turbulenzbleche TB1, TB2 beträgt beispielsweise 0,2 mm. Die Materialdicke S2 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 beträgt beispielsweise 0,42 mm. Die Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 beträgt 1,6 mm. Die Materialdicke S4 einer verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V beträgt 1,2 mm. Eine Anströmfläche A1 des ersten Mediums 1 an der Mantelplatte 101 beträgt beispielsweise 154 mm2.
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Die Bauhöhe HB des Blockes B unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V beträgt gemäß der Tabelle 2 in 8 bei zehn Lagen der zweiten Kühlrippenplatte KRP2 (Kühlmittellagen) und neun Lagen der ersten Kühlrippenplatte KRP1 (Ölmittellagen) = 50,56 mm.
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Die Bauhöhe HB des Blockes B unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V hat sich durch die Materialoptimierung und gleichzeitiger Leistungsoptimierung gegenüber dem Plattenwärmetauscher 100 der Anmelderin gemäß Tabelle 1 in 8 von 49,41 mm auf 50,56 mm nur geringfügig erhöht.
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Es wird ferner deutlich, dass der Plattenblock B des Plattenwarmetauschers 100 unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V mit gleich bleibender Dicke nur noch 401 g wiegt und somit gegenüber dem ersten Vergleichswert (100%) hinsichtlich seines Gewichtes um 12% reduziert ist.
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Das Gewicht des Plattenwärmetauschers 100 unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V und inklusive der Befestigungsplatte 102 ist ebenfalls gegenüber dem zweiten Vergleichsgewicht (100%) um 5% auf 536 g reduziert. Außerdem sind jetzt bei einer Bauhöhe HB unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V des Plattenblockes B von nur 50,5 mm zehn Lagen der zweiten Kühlrippenplatte KRP2 (Kühlmittellagen) und neun Lagen der ersten Kühlrippenplatte KRP1 (Ölmittellagen) angeordnet, wodurch die Leistung des Plattenwärmetauschers 100 erhöht wird.
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Nachfolgend wird im Vergleich ein vorwiegend materialoptimierter Plattenwärmetauscher
100 vorgestellt. Ein bevorzugter materialoptimierter Plattenwärmetauscher
100 weist folgende Kennwerte auf. Die Kennwerte bleiben gegenüber dem vorhergehenden Beispiel des material- und leistungsoptimierten Wärmetauschers
100 unverändert.
I = T·S1·S2·S3·A1 [3] | T | mm | 4,0 |
| S1 | mm | 0,2 |
| S2 | mm | 0,42 |
| S3 | m | 1,6 |
| A1 | mm2 | 154 |
| | | (d = 14,0 mm) |
| I | mm6 | 82,8 |
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Bei einem materialoptimierten Plattenwärmetauscher 100 wird gegenüber dem material- und leistungsoptimierte Wärmetauscher 100 die Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 von 2,0 mm gewählt.
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Dadurch ergeben sich folgende Werte.
| Teilung T der Turbulenzbleche TB1, TB2 in mm | 4,0 |
| Materialdicke S1 der Turbulenzbleche TB1 und TB2 in mm | 0,2 |
| Materialdicke S2 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 in mm | 0,42 |
| Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 (inklusive Einleger 103) in mm | 1,6 |
| Querschnitt der Anströmfläche A1 des erstes Mediums 1 an der Mantelplatte | |
| 101 in mm2 | 154 |
| Materialdicke S4 einer verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V in mm | 1,2 |
| Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 in mm | 2,4 |
| Bauhöhe HB Plattenblock B in mm | 46,73 |
| Anzahl der Kühlmittellagen KRP2/Anzahl der Ölmittellagen KRP1 | 8/7 |
| Gewicht eines Blockes B des Plattenwärmetauschers 100 in g | 330 (73%) |
| Gewicht des Plattenwärmetauschers 100 gesamt in g | 456 (80%) |
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Die Teilung T der Turbulenzbleche TB1, TB2 bei einer Höhe HTB von 2,0 mm beträgt weiterhin 4,0 mm. Die Materialdicke S1 der Turbulenzbleche TB1, TB2 beträgt unverändert 0,2 mm. Die Materialdicke S2 der Kühlrippenplatten KRP1, KRP2 beträgt unverändert 0,42 mm. Die Materialdicke S3 der Mantelplatte 101 beträgt unverändert 1,6 mm. Die Materialdicke S4 einer verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V beträgt weiterhin 1,2 mm. Eine Anströmfläche A1 des ersten Mediums 1 an der Mantelplatte 101 beträgt ebenfalls 154 mm2.
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Es wird deutlich, dass der Plattenblock B des Plattenwärmetauschers 100 unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V jetzt nur noch 330 g wiegt und somit gegenüber dem ersten Vergleichswert (100%) hinsichtlich seines Gewichtes um 27% reduziert ist.
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Das Gewicht des Plattenwärmetauschers 100 unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V und inklusive der Befestigungsplatte 102 ist gegenüber dem zweiten Vergleichsgewicht (100%) um 20% auf 456 g reduziert.
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Außerdem sind jetzt bei einer Bauhöhe HB unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V des Plattenblockes B von nur 46,73 mm acht Lagen der zweiten Kühlrippenplatte KRP2 (Kühlmittellagen KRP2) und sieben Lagen der ersten Kühlrippenplatte KRP1 (Ölmittellagen) angeordnet, wodurch das Gewicht des Plattenwärmetauschers 100 entsprechend reduziert wird.
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Die Bauhöhe HB des Blockes B beträgt gemäß der Tabelle 3 in 8 bei acht Lagen der zweiten Kühlrippenplatte KRP2 (Kühlmittellagen) und sieben Lagen der ersten Kühlrippenplatten KRP1 (Ölmittellagen) = 46,73 mm. Die Bauhöhe HB des Blockes B unter Berücksichtigung der verstärkten Kühlrippenplatte KRP2V hat sich durch die Materialoptimierung bei gleicher Leistung gegenüber dem Plattenwärmetauscher 100 der Anmelderin gemäß Tabelle 1 in 8 von 49,41 mm auf 46,73 mm reduziert.
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Es wird deutlich, dass in Kombination mit dem Material-Index I innerhalb der vorgegebenen Kennwertebereiche durch Variation der Höhe HTB der Turbulenzbleche TB1, TB2 in vorteilhafter Weise eine Leistungsoptimierung eines materialoptimierten Wärmetauschers 100 möglich ist.
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Ein Plattenwärmetauscher 100 der gattungsgemäßen Art findet Verwendung als Motorölkühler, Getriebeölkühler, Wärmetauscher 100 in einer Kältemaschine, insbesondere einer Klimaanlage eines Fahrzeuges, außerdem in Kondensatoren mit zusätzlichen Festigkeitsmaßnahmen.
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Als Fahrzeuge, in denen solche Plattenwärmetauscher 100 der gattungsgemäßen Art eingesetzt werden, kommen Personenkraftwagen und Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise Schiffe, Baumaschinen und Busse in Frage.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Plattenwärmetauscher
- 101
- Mantelplatte
- 101-1
- Randsteg der Mantelplatte
- 102
- Befestigungsplatte
- 103
- Einleger
- B
- Plattenblock
- HB
- Höhe des Plattenblocks
- 1
- erstes Medium
- 2
- zweites Medium
- 1ZU
- Zulauföffnung erstes Medium
- K1AB
- Ablaufkanal erstes Medium
- 1AB
- Ablauföffnung erstes Medium
- 2ZU
- Zulauföffnung zweites Medium
- K2AB
- Ablaufkanal zweites Medium
- 2AB
- Ablauföffnung zweites Medium
- 1Z
- Durchtrittsöffnung-Zulauf erstes Medium
- 1A
- Durchtrittsöffnung-Ablauf erstes Medium
- 2Z
- Durchtrittsöffnung-Zulauf zweites Medium
- 2A
- Durchtrittsöffnung-Ablauf zweites Medium
- KRP1
- Kühlrippenplatte erster Typ
- 11
- Dome einer Kühlrippenplatte
- 12
- Randsteg einer Kühlrippenplatte
- KRP2
- Kühlrippenplatte zweiter Typ
- 21
- Dome einer Kühlrippenplatte
- 22
- Randsteg einer Kühlrippenplatte
- KRP2V
- verstärkte Kühlrippenplatte
- KRP2B
- benachbarte Kühlrippenplatte
- TB1
- Turbulenzblech
- TB2
- Turbulenzblech
- T
- Teilung
- HTB
- Gesamthöhe eines Turbulenzbleches
- H+
- Amplitude
- H–
- Amplitude
- ZA
- Zwischenabschnitt
- x
- Richtung in einer Horizontalen
-
y
- Richtung in einer Horizontalen quer zur x-Richtung
- z
- Richtung in einer Vertikalen quer zur x-Richtung
- x/y
- Ebene der Platten 101, KRP1, KRP2, KRP2V, 102, 103
- S1
- Materialdicke der Turbulenzbleche TB1, TB2
- S2
- Materialdicke der Kühlrippenplatten zwischen KRP2
- S3
- Materialdicke der Mantelplatte 101 oder der Mantelplatte und eines Einlegers 103
- S4
- Materialdicke der verstärkten Kühlrippenplatte KPR2V
- S5
- Materialdicke der Befestigungsplatte 102
- A1
- Anströmfläche
- F
- Druckkraft
- p1
- hoher Druck (Hochdruckseite)
- p2
- niedriger Druck (Niederdruckseite)
- σ
- mechanische Spannung
- d
- Durchmesser
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0623798 A2 [0002]
- DE 102004036951 A1 [0003]
- DE 102010001828 A1 [0004]
