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Die Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmetauscher, insbesondere einen Ölkühler, einen Chiller oder einen Kondensator für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stapelscheibenwärmetauscher sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt und werden beispielsweise als Ölkühler, Chiller oder Kondensatoren in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Ein Stapelscheibenwärmetauscher weist dabei mehrere aufeinander gestapelte längliche Scheiben auf, zwischen denen Hohlräume gebildet sind. In den aufeinander angeordneten Hohlräumen fließen zwei Medien - ein Kühlmedium und ein zu kühlendes Medium, - so dass ein Wärmetausch zwischen den beiden Medien stattfinden kann. Die Hohlräume sind dabei durch eine Fläche und eine Flächenumrandung der jeweiligen Scheibe sowie durch die benachbarte aufliegende Scheibe begrenzt. In jeder der Scheiben sind vier Öffnungen geformt, die in den aufeinander liegenden Scheiben miteinander korrespondieren und insgesamt vier zu den Scheiben senkrechte Kanäle bilden. Zwei dieser Kanäle sind zum Zu- und Ableiten des einen Mediums und zwei dieser Kanäle sind zum Zu- und Ableiten des anderen Mediums in die jeweiligen Hohlräume vorgesehen. Die Hohlräume für die beiden Medien wechseln sich dabei in dem Stapelscheibenwärmetauscher ab und die Kanäle sind ausschließlich mit den entsprechenden Hohlräumen fluidisch verbunden.
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Insbesondere durch die Öffnungen kann die Fläche der jeweiligen Scheibe nicht vollständig genutzt werden. Hinter den Öffnungen und den Domen entstehen ferner sogenannte Totbereiche, die an dem Wärmetausch der jeweiligen Medien nicht teilnehmen und zu Strömungsdruckverlusten in dem Stapelscheibenwärmetauscher führen. Um die restliche Fläche der jeweiligen Scheibe besser zu nutzen, können beispielsweise Turbulenzeinlagen in den jeweiligen Hohlräumen angeordnet sein, wie dies in
DE 103 49 141 A1 beschrieben ist. Dazu sind in
US 6,216,733 B1 mehrere noppenartige Ausformungen und in
EP 2 650 633 A2 Leitungskanäle an den Flächen der Scheiben ausgeformt. In
US 7,469,554 B2 ist ferner ein Kondensator beschrieben, in dem die Scheiben des Kondensators in Gruppen unterteilt sind und dadurch die Druckverlusterhöhung minimiert wird.
DE 602 11 698 T2 beschreibt dazu einen alternativ ausgestalteten Stapelscheibenwärmetauscher mit unsymmetrischen Scheiben.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Stapelscheibenwärmetauscher der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Ein gattungsgemäßer Stapelscheibenwärmetauscher weist mehrere aufeinander gestapelte längliche Scheiben auf und kann insbesondere ein Chiller oder ein Kondensator für ein Kraftfahrzeug sein. Zwischen den mehreren aufeinander gestapelten Scheiben sind Hohlräume für zwei Medien abwechselnd gebildet, die an den jeweiligen Scheiben bereichsweise durch jeweils eine Scheibenfläche und eine von der Scheibenfläche abstehende und diese umlaufende Umrahmungswand begrenzt sind. In jedem der vier Eckbereiche der jeweiligen Scheibe ist jeweils eine Durchgangsöffnung in der Scheibenfläche geformt, wobei an jeder Scheibe abwechselnd um die jeweils zwei Durchgangsöffnungen jeweils ein von der Scheibenfläche in den Hohlraum abstehender Dom ausgeformt ist. Erfindungsgemäß ist an wenigstens einer der jeweiligen Scheiben wenigstens einer der jeweiligen Dome durch eine Stufenausformung mit einer Randkontur und mit einer stufenartigen Strömungskontur geformt, die eine der Scheibenfläche parallele Domfläche abgrenzen. Dabei folgt die Randkontur in dem jeweiligen Eckbereich einem Scheibenrand der Scheibenfläche übereck angrenzend und die Strömungskontur schließt beidseitig an die Randkontur an.
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Die jeweilige Stufenausformung füllt den jeweiligen Eckbereich der Scheibenfläche vollständig aus, so dass das jeweilige Medium in den ausgefüllten Eckbereich nicht gelangt und ein Hinterströmen der jeweiligen Stufenausformung beziehungsweise des jeweiligen Doms verhindert wird. Dadurch strömt das jeweilige Medium nur an der an dem Wärmetausch teilnehmenden Scheibenfläche der jeweiligen Scheibe und Strömungsdruckverluste an der jeweiligen Scheibe werden im Vergleich zu einer herkömmlichen Scheibe minimiert. Dadurch kann das Leistungs- und Druckverhältnis in dem Stapelscheibenwärmetauscher vorteilhaft optimiert werden. Die jeweilige Stufenausformung ist durch die Randkontur und durch die Strömungskontur gebildet, die die Domfläche abgrenzen. Die Domfläche ist dabei an der Umrahmungswand integral ausgebildet oder, mit anderen Worten, die Domfläche schließt entlang der Randkontur - beziehungsweise übereck entlang dem Scheibenrand - an die Umrahmungswand integral an. Die Durchgangsöffnung in dem jeweiligen Eckbereich ist in der Domfläche ausgeformt und von dieser umfasst.
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Die Strömungskontur kann geradlinig oder alternativ zu der Randkontur hin oder von der Randkontur weg gekrümmt sein. Ferner kann die Strömungskontur an die Randkontur zumindest einseitig unter einem Winkel zwischen 30° und 60° anschließen. Die Strömungskontur kann auf diese Weise strömungsoptimiert werden, so dass an der jeweiligen Scheibe eine optimale Strömung für das jeweilige Medium einstellbar ist.
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Ferner kann ein Öffnungsrand der Durchgangsöffnung in der jeweiligen Stufenausformung der Randkontur und der Strömungskontur in einem gleichen Abstand folgen. Die Form der jeweiligen Durchgangsöffnung entspricht dann im Wesentlichen der Form der jeweiligen Domfläche. Die Durchgangsöffnung kann die jeweilige Domfläche zudem nahezu vollständig ausfüllen, so dass ein Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung nahe dem Flächeninhalt der Domfläche entspricht. Auf diese Weise kann ein maximaler Strömungsquerschnitt für die jeweilige Durchgangsöffnung erreicht werden, ohne dass die an dem Wärmetausch teilnehmende Scheibenfläche der jeweiligen Scheibe verkleinert werden muss. Die jeweilige Durchgangsöffnung in der jeweiligen Stufenausformung kann auch rund oder oval oder dreieckig oder vieleckig sein. Bei einer dreieckigen oder vieleckigen Durchgangsöffnung können Ecken der jeweiligen Durchgangsöffnung abgerundet sein, um die Strömung auch in den durch die korrespondierenden Durchgangsöffnungen der aufeinander gestapelten Scheiben gebildeten Kanälen zu optimieren. Es ergibt sich eine große Vielfalt an möglichen Ausgestaltungen der jeweiligen Durchgangsöffnung, so dass auch ein der Form und den Abmessungen entsprechender hydraulischer Durchmesser der jeweiligen Durchgangsöffnung anpassbar ist. Insbesondere können dadurch die Durchgangsöffnungen an den Aggregatzustand des jeweiligen Mediums angepasst sein, der sich in dem Stapelscheibenwärmetauscher von gasig zu flüssig oder umgekehrt wechseln kann.
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Vorteilhafterweise kann auch ein Öffnungsrand der Durchgangsöffnung in dem jeweiligen Eckbereich einem Scheibenrand der Scheibenfläche übereck angrenzend folgen. Insbesondere kann auf diese Weise auch ein Hinterströmen der jeweiligen Durchgangsöffnungen ohne einen Dom verhindert werden. Ferner kann dadurch die an dem Wärmetausch teilnehmende Scheibenfläche der jeweiligen Scheibe vergrößert werden. Die jeweilige Durchgangsöffnung in dem jeweiligen Eckbereich kann rund oder oval oder dreieckig oder vieleckig sein. Auch hier können Ecken einer dreieckigen oder vieleckigen Durchgangsöffnung abgerundet sein und die Strömung in den durch die korrespondierenden Durchgangsöffnungen der aufeinander gestapelten Scheiben gebildeten Kanälen optimiert werden. Ein hydraulischer Durchmesser der jeweiligen Durchgangsöffnung ist durch die Form und die Abmessungen der jeweiligen Durchgangsöffnung anpassbar. Die Durchgangsöffnungen in dem Stapelscheibenwärmetauscher sind auf diese Weise an den Aggregatzustand des jeweiligen Mediums anpassbar, der sich an der jeweiligen Scheibe wechseln kann.
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Vorteilhafterweise können wenigstens zwei der Durchgangsöffnungen der wenigstens einen Scheibe unterschiedlich ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können sich auch Strömungsquerschnitte wenigstens zwei der Durchgangsöffnungen der wenigstens einen Scheibe voneinander abweichen. So können sich die Durchgangsöffnungen in ihrer Form und/oder ihren Abmessungen unterscheiden. Dadurch kann die Strömung an der jeweiligen Scheibe vorteilhaft an den Aggregatzustand des jeweiligen Mediums angepasst sein, der sich in dem Stapelscheibenwärmetauscher von gasförmig zu flüssig oder umgekehrt wechsein kann.
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Vorteilhafterweise können auch Strömungsquerschnitte wenigstens zwei der fluidisch miteinander korrespondierenden Durchgangsöffnungen der aufeinander gestapelten Scheiben in dem Stapelscheibenwärmetauscher voneinander abweichen. Strömungsquerschnitte dieser Durchgangsöffnungen können beispielsweise von Scheibe zu Scheibe zu- oder abnehmen, so dass ein Strömungsquerschnitt eines durch diese Durchgangsöffnungen gebildeten Kanals stetig zu- oder abnimmt. Das Verhältnis des minimalen Strömungsquerschnitts zu dem maximalen Strömungsquerschnitt dieses gebildeten Kanals kann dabei zwischen 0,25 und 1 liegen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Stapelscheibenwärmetauscher kann vorgesehen sein, dass auf der Scheibenfläche wenigstens einer der Scheiben eine in den Hohlraum hineinragende längliche Trennausformung ausgeformt ist, die sich von einer Kurzseite zwischen den Durchgangöffnungen ohne einen Dom in Richtung einer gegenüberliegenden anderen Kurzseite erstreckt. Auf diese Weise strömt das jeweilige Medium an der Scheibe u-förmig und die Scheibenfläche kann zum Wärmetausch zwischen den jeweiligen Medien besser genutzt werden.
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Zusammenfassend kann durch die jeweilige die Durchgangsöffnung einfassende Stufenausformung ein Hinterströmen der jeweiligen Durchgangsöffnung verhindert werden. Ferner kann auch ein Hinterströmen der unmittelbar in der Scheibenfläche ausgeformten Durchgangsöffnungen vorteilhaft minimiert werden. Dadurch können Strömungsdruckverluste an der jeweiligen Scheibe minimiert und die an dem Wärmetausch teilnehmende Scheibenfläche vergrößert werden. Insgesamt kann in dem Stapelscheibenwärmetauscher das Leistungs- und Druckverhältnis optimiert werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Ansicht einer Scheibe in einem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher;
- 2 bis 4 Ansichten von Scheiben in einem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher, die alternativ ausgestalteten Durchgangsöffnungen aufweisen;
- 5 bis 7 Ansichten von alternativ ausgestalteten Scheiben in einem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher, die jeweils eine Trennausformung aufweisen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Scheibe 1 in einem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher 2. Die Scheibe 1 weist einen Hohlraum 3 auf, der bereichsweise durch eine Scheibenfläche 4 und eine von der Scheibenfläche 4 abstehende und diese umlaufende Umrahmungswand 5 begrenzt ist. An der Scheibe 1 sind in Eckbereichen 6 Durchgangsöffnungen 7a bis 7d angeordnet, wobei um die Durchgangsöffnungen 7a und 7b von der Scheibenfläche 4 in den Hohlraum 3 abstehende Dome 8a und 8b ausgeformt sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Durchgangsöffnungen 7a bis 7d rund und weisen einen gleichen Strömungsquerschnitt aus.
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Der Stapelscheibenwärmetauscher 2 weist mehrere solche aufeinander gestapelte Scheiben 1 auf, zwischen denen die Hohlräume 3 gebildet sind. Insbesondere kann der Stapelscheibenwärmetauscher 2 ein Ölkühler, ein Chiller oder ein Kondensator für ein Kraftfahrzeug sein. An der gezeigten Scheibe 1 strömt ein erstes Medium M1 aus einem Zuleitungskanal 9c der einen Durchgangsöffnung 7c zu einem Ableitungskanal 9d der anderen Durchgangsöffnung 7d über die Scheibenfläche 4, wie hier und weiter mit Pfeilen angedeutet ist. Ein zweites Medium M2 strömt nicht über die Scheibenfläche 4 der hier gezeigten Scheibe 1 und wird durch einen Zuleitungskanal 9a der Durchgangsöffnung 7a und durch einen Ableitungskanal 9b der Durchgangsöffnung 7b einer benachbart gestapelten Scheibe zu- und abgeleitet, wie hier und weiter mit Pfeilen angedeutet ist. Es versteht sich, dass die benachbart gestapelte Scheibe für das zweite Medium M2 auf eine gleiche Weise ausgestaltet sein kann.
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Die Dome 8a und 8b sind durch jeweils eine Stufenausformung 10a und 10b mit einer Randkontur 11 und mit einer stufenartigen Strömungskontur 12 geformt, die eine der Scheibenfläche 4 parallele Domfläche 13 abgrenzen. Die Strömungskontur 12 ist dabei geradlinig ausgestaltet und schließt an die Randkontur 11 beidseitig unter einem Winkel α gleich 45° an. Dabei folgt die Randkontur 11 in dem jeweiligen Eckbereich 6 einem Scheibenrand 14 der Scheibenfläche 4 übereck angrenzend und die Strömungskontur 12 schließt beidseitig an die Randkontur 11 an. Die Domfläche 13 schließt dabei an die Umrahmungswand 5 integral an und die jeweilige Stufenausformung 10a und 10b füllt den jeweiligen Eckbereich 6 der Scheibenfläche 4 vollständig aus. Das an der Scheibenfläche 4 strömendes erstes Medium M1 kann die jeweilige Stufenausformung 10a und 10b nicht hinterströmen und Strömungsdruckverluste an der Scheibe 1 werden minimiert. Die Durchgangsöffnungen 7a und 7b sind dabei von der jeweiligen Domfläche 13 umfasst.
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2 zeigt eine Draufsicht der in 1 gezeigten Scheibe 1. 3 zeigt eine schematische Ansicht der Scheibe 1 mit ovalen Durchgangsöffnungen 7a bis 7d. In 4 ist eine schematische Ansicht der Scheibe 1 mit nahezu dreieckigen Durchgangsöffnungen 7a bis 7d gezeigt. Hier folgt ein Öffnungsrand 15 der Durchgangsöffnungen 7a und 7b der Randkontur 11 und der Strömungskontur 12 der jeweiligen Stufenausformung 10a und 10b in einem gleichen Abstand. Aufgrund einer nahe dreieckigen Form der jeweiligen Stufenausformung 10a und 10b weisen die jeweiligen Durchgangsöffnungen 7a und 7b eine nahe dreieckige Form auf. Auf diese Weise ist ein maximaler Strömungsquerschnitt für die jeweiligen Durchgangsöffnungen 7a und 7b erreicht, ohne dass die an dem Wärmetausch teilnehmende Scheibenfläche der Scheibe 1 - also die gesamte Scheibenfläche 4 ohne die Stufenausformungen 10a und 10b sowie ohne die Durchgangsöffnungen 7c und 7d - verkleinert ist. Der Öffnungsrand 15 der Durchgangsöffnungen 7c und 7d folgt ferner in dem jeweiligen Eckbereich 6 dem Scheibenrand 14 der Scheibenfläche 4 übereck angrenzend. Dadurch wird auch ein Hinterströmen der Durchgangsöffnungen 7c und 7d vorteilhaft verhindert.
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5 zeigt eine schematische Ansicht der Scheibe 1 mit den Stufenausformungen 10a und 10b mit den alternativ ausgestalteten Strömungskonturen 12. Die jeweilige Strömungskontur 12 ist zu der jeweiligen Randkontur 11 hin gekrümmt und schließt an die Randkontur 11 unter dem Winkel α gleich 30° an. Durch die derart ausgestaltete Strömungskontur 12 ist die an dem Wärmetausch teilnehmende Scheibenfläche der Scheibe 1 vorteilhaft vergrößert. Die ovalen Durchgangsöffnungen 7a bis 7d sind hier gleich groß und zu dem Scheibenrand 14 angrenzend ausgeformt. 6 zeigt die Scheibe 1, in der die Durchgangsöffnung 7c einen größeren Strömungsquerschnitt als die Durchgangsöffnungen 7a, 7b und 7d aufweisen. Insbesondere kann dadurch die Scheibe 1 an den sich wechselnden - hier von gasförmig zu flüssig - Aggregatzustand des ersten Mediums M1 angepasst sein. Ferner weicht auch die Form der Durchgangsöffnung 7c von der Form der anderen Durchgangsöffnungen 7a, 7b und 7d ab. 7 zeigt die Scheibe 1 mit den dreieckigen Durchgangsöffnungen 7a bis 7d, deren Öffnungsrand 15 zumindest bereichsweise dem Scheibenrand 14 oder der Randkontur 11 folgt.
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In 5 bis 7 sind die jeweiligen Stufenausformungen 10a und 10b an einer Kurzseite 16a benachbart ausgeformt. Um die Scheibenfläche 4 zum Wärmetausch möglichst vollständig zu nutzen, ist an den Scheibenflächen 4 der jeweiligen Scheiben 1 jeweils eine Trennausformung 17 (strömungsleitende Trennwand) integral ausgeformt. Die Trennausformung 17 schließt dabei an eine der Kurzseite 16a gegenüberliegende Kurzseite 16b an und erstreckt sich zwischen den Durchgangsöffnungen 7c und 7d in Richtung der Kurzseite 16a. Die Trennausformung 17 trennt dabei die Scheibenfläche 4 in zwei Strömungsbereiche 4a und 4b auf, die jeweils zwischen der Trennausformung 17 und einer Langseite 18a oder 18b liegt.
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Zusammenfassend kann durch die jeweilige die Durchgangsöffnung 7a und 7b einfassende Stufenausformung 10a und 10b ein Hinterströmen der jeweiligen Durchgangsöffnung 7a und 7b verhindert werden. Ferner kann auch ein Hinterströmen der unmittelbar in der Scheibenfläche 4 ausgeformten Durchgangsöffnungen 7c und 7d vorteilhaft minimiert werden. Dadurch können Strömungsdruckverluste an der jeweiligen Scheibe 1 minimiert und die an dem Wärmetausch teilnehmende Scheibenfläche vergrößert werden. Insgesamt kann in dem Stapelscheibenwärmetauscher 2 das Leistungs- und Druckverhältnis optimiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10349141 A1 [0003]
- US 6216733 B1 [0003]
- EP 2650633 A2 [0003]
- US 7469554 B2 [0003]
- DE 60211698 T2 [0003]
