DE102019210238A1

DE102019210238A1 - Stapelscheibenwärmetauscher

Info

Publication number: DE102019210238A1
Application number: DE102019210238.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Bruckner; Klaus Irmler; Jakub Lasica; Gerd Schleier
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-14
Also published as: US11486658B2; CN112212726A; US20210010762A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmetauscher (1) für ein Kraftfahrzeug. Der Stapelscheibenwärmetauscher (1) weist mehrere sich in Längsrichtung (LR) erstreckende längliche Stapelscheiben (2) auf, die senkrecht zur Längsrichtung (LR) in einer Stapelrichtung (SR) aneinander gestapelt sind. Zwischen den benachbarten Stapelscheiben (SR) sind nach außen hin abgeschlossene ersten Hohlräume (3a) und zweiten Hohlräume (3b) gebildet, die alternierend jeweils mit einem ersten Medium und mit einem zweiten Medium durchströmbar sind. Die ersten Hohlräume (3a) sind dabei mit zwei ersten in Längsrichtung (LR) einander gegenüberliegen Mediumkanälen (4a) und die zweiten Hohlräume (3b) mit zwei zweiten in Längsrichtung (LR) einander gegenüberliegen Mediumkanälen (4b) fluidisch verbunden. Die jeweilige Stapelscheibe (2) weist an ihrer Plattenfläche (11) eine Rippenstruktur (12) auf, durch die mehrere von dem jeweiligen Medium durchströmbare Strömungskanäle (13) innerhalb des jeweiligen Hohlraums (3a, 3b) gebildet sind.Erfindungsgemäß umfasst die Rippenstruktur (12) einen Führungsbereich (15) und zwei Verteilbereiche (16), wobei die Verteilbereiche (16) und der Führungsbereich (15) sich quer zur Längsrichtung (LR) erstrecken und in Längsrichtung (LR) nebeneinander angeordnet sind. Die ersten Mediumkanäle (4a, 4b) und die zweiten Mediumkanäle (4b) sind jeweils innerhalb jeweils eines der Verteilbereiche (16) ausgebildet. Die Rippenstruktur (12) unterscheidet sich in dem Führungsbereich (15) und in den beiden Verteilbereichen (16) durch Form und Größe der jeweiligen gebildeten Strömungskanäle (13).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmetauscher für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Stapelscheibenwärmetauscher weist üblicherweise mehrere längliche Stapelscheiben auf, die aneinander gestapelt sind. Zwischen den benachbarten Stapelscheiben sind dabei Hohlräume gebildet, die alternierend durch zwei Medien - beispielweise Kältemittel und Kühlmittel - durchströmbar sind. Mit anderen Worten sind die benachbarten Hohlräume durch jeweils eine Scheibenfläche der jeweiligen Stapelscheibe getrennt, so dass die beiden Medien über die Scheibenfläche Wärme austauschen können. Die Hohlräume für das jeweilige Medium sind über zwei Kanäle fluidisch miteinander verbunden, wobei der eine Kanal einen Zulauf und der andere Kanal einen Ablauf darstellt. Insgesamt sind in dem Stapelscheibenwärmetauscher somit vier Kanäle vorhanden. Die Scheibenfläche der jeweiligen Stapelscheiben kann strukturiert sein, um eine hohe Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien zu erreichen. Dabei soll jedoch der Druckverlust möglichst gering bleiben und eine ausreichende Druckfestigkeit des Stapelscheibenwärmetauschers erreicht werden. Stapelscheibenwärmetauscher mit strukturierten Stapelscheiben sind beispielweise aus DE 10 2016 201 712 A1 , DE 10 2014 226 479 A1 und WO 2009/141379 A1 bekannt.
Nimmt die Breite der Stapelscheibe im Verhältnis zur Länge zu, so muss weiterhin eine gute Querverteilung des jeweiligen Mediums gewährleistet sein. Durch die herkömmlich bekannte Strukturierung der Stapelscheiben können jedoch in der Regel entweder eine gute Querverteilung der beiden Medien und damit eine gute Wärmeübertragung zwischen diesen erreicht oder jedoch die Druckverluste minimiert werden. Wird ein wasserhaltiges Medium - wie beispielweise Kühlmittel - verwendet, so steigt bei einer schlechten Querverteilung auch das Siederisiko in dem Stapelscheibenwärmetauscher.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen Stapelscheibenwärmetauscher der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere sollen in dem Stapelscheibenwärmetauscher eine gute Querverteilung der Medien erreicht und die Druckverluste in dem Stapelscheibenwärmetauscher minimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Stapelscheibenwärmetauscher ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen und weist mehrere sich in Längsrichtung erstreckende längliche Stapelscheiben auf, die senkrecht zur Längsrichtung in einer Stapelrichtung aneinander gestapelt sind. Zwischen den benachbarten Stapelscheiben sind nach außen hin abgeschlossene erste und zweite Hohlräume gebildet, die alternierend mit einem ersten Medium und mit einem zweiten Medium durchströmbar sind. Die ersten Hohlräume sind dabei mit zwei ersten in Längsrichtung einander gegenüberliegen Mediumkanälen und die zweiten Hohlräume sind mit zwei zweiten in Längsrichtung einander gegenüberliegen Mediumkanälen fluidisch verbunden. Die jeweilige Stapelscheibe weist an ihrer Plattenfläche eine Rippenstruktur auf, durch die mehrere von dem jeweiligen Medium durchströmbare Strömungskanäle innerhalb des jeweiligen Hohlraums gebildet sind. Erfindungsgemäß umfasst die Rippenstruktur einen Führungsbereich und zwei Verteilbereiche, wobei die Verteilbereiche und der Führungsbereich sich quer zur Längsrichtung erstrecken und in Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die ersten Mediumkanäle und die zweiten Mediumkanäle sind innerhalb jeweils eines der Verteilbereiche ausgebildet. Die Rippenstruktur unterscheidet sich in dem Führungsbereich und in den beiden Verteilbereichen durch Form und Größe der jeweiligen gebildeten Strömungskanäle, wobei die jeweiligen gebildeten Strömungskanäle durch das jeweilige Medium in den beiden Verteilbereichen bevorzugt quer zur Längsrichtung und in dem Führungsbereich bevorzugt in Längsrichtung durchströmbar sind.
Die Mediumkanäle sind in dem Stapelscheibenwärmetauscher in Stapelrichtung ausgerichtet und sind bevorzugt in Stapelrichtung durchströmbar. Die ersten Mediumkanäle und die zweiten Mediumkanäle sind dabei jeweils in Längsrichtung einander gegenüberliegend angeordnet, wobei dann an einem Längsende des Stapelscheibenwärmetauschers jeweils der erste Mediumkanal und der zweite Mediumkanal quer zur Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Mediumkanäle in Eckbereichen des Stapelscheibenwärmetauschers ausgebildet. Die Mediumkanäle in dem Stapelscheibenwärmetauscher sind durch vier entsprechend ausgestaltete Öffnungen in den jeweiligen Stapelscheiben gebildet. Um zwei der Öffnungen in der jeweiligen Stapelscheibe sind domartige Domränder geformt. Der jeweilige Domrand steht dabei von der Plattenfläche der jeweiligen Stapelscheibe in Stapelrichtung ab und liegt dichtend an der benachbarten Stapelscheibe um den jeweiligen Mediumkanal herum an. In dem jeweiligen Mediumkanal alternieren die Öffnungen mit und ohne Domrand in Stapelrichtung, so dass die ersten Hohlräume von den zweiten Mediumkanälen und die zweiten Hohlräume von den ersten Mediumkanälen durch die jeweiligen Domränder fluidisch getrennt sind.
Die beiden ersten Mediumkanäle bilden jeweils einen Zulauf und einen Ablauf für das erste Medium und die beiden zweiten Mediumkanäle bilden jeweils einen Zulauf und einen Ablauf für das zweite Medium. Auf der jeweiligen Stapelscheibe ist dann der eine Verteilbereich dem Zulauf und der andere Verteilbereich dem Ablauf zugeordnet. Der dem Zulauf zugeordnete Verteilbereich verteilt dann das über den Mediumkanal zuströmende Medium quer zur Längsrichtung über die gesamte Breite des Hohlraums. Nach dem dem Zulauf zugeordneten Verteilbereich durchströmt das jeweilige Medium den Führungsbereich, in dem es bevorzugt in Längsrichtung und weiterhin über die gesamte Breite des Hohlraums zu dem dem Ablauf zugeordneten Verteilbereich geleitet wird. Der dem Ablauf zugeordnete Verteilbereich sammelt dann das abzuströmende Medium zu dem jeweiligen Mediumkanal, so dass das jeweilige Medium abströmen kann. Die Rippenstruktur kann innerhalb der beiden Verteilbereiche gleich oder unterschiedlich sein, so dass die Strömungskanäle innerhalb der beiden Verteilbereiche eine voneinander abweichende oder zueinander identische Form und Größe aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Rippenstruktur kann die Verteilung des jeweiligen Mediums quer zur Längsrichtung deutlich verbessert werden und die Druckverluste in dem Hohlraum reduziert werden. Ferner wird durch die bessere Verteilung des jeweiligen Mediums in dem Hohlraum ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil des jeweiligen Mediums in dem Hohlraum erreicht und ein Strömungsstillstand kann vermieden werden. Insbesondere bei wasserhaltigen Medien - wie beispielweise einem Kühlmittel - kann dadurch ein Siederisiko reduziert werden.
In dem Stapelscheibenwärmetauscher sind die jeweiligen Stapelscheiben aneinander stoffschlüssig - beispielweise über eine Lötverbindung - festgelegt. Dazu weisen die Stapelscheiben einen Rand auf, der von der Plattenfläche in Stapelrichtung absteht und die Plattenfläche umläuft. Die Stapelscheiben sind dann über die jeweiligen Ränder miteinander verbunden. Um die Druckstabilität des Stapelscheibenwärmetauschers zu erhöhen, können die jeweiligen benachbarten Stapelscheiben an einigen Berührungsstellen ihrer Rippenstrukturen stoffschlüssig aneinander - beispielweise mittels einer Lötverbindung - festgelegt sein. Da an den Berührungsstellen keine dichtende Verbindung vorliegen muss, können die beiden Stapelscheiben nur an einigen dieser Berührungsstellen verlötet sein. Zusätzlich können die Stapelscheiben auch um die jeweiligen Mediumkanäle an den Domränder aneinander stoffschlüssig - beispielweise mittels einer Lötverbindung - festgelegt sein. Dadurch können auch die entsprechenden Hohlräume von den entsprechenden Mediumkanälen fluidisch abgedichtet werden. Zudem kann ein Stapel aus den jeweiligen Stapelscheiben beidseitig durch jeweils eine Abdeckplatte abgedeckt sein. Die jeweilige Abdeckplatte ist dann quer zur Stapelrichtung ausgerichtet und kann den Stapelscheibenwärmetauscher stabilisieren. Die beiden Abdeckplatten können dabei abweichend zueinander ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die beiden Abdeckplatten mit dem Stapel verlötet. Der erfindungsgemäße Stapelscheibenwärmetauscher kann beispielweise ein Kondensator sein, wobei das erste Medium dann beispielsweise Kühlmittel und das zweite Medium beispielsweise ein Kältemittel - beispielweise Cyclopentan - ist.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Rippenstruktur mehrere Rippen umfasst. Die Rippen folgen dann in Längsrichtung aufeinander und erstrecken sich quer zur Längsrichtung. Die jeweilige Rippe verläuft dabei zickzackartig in der Plattenfläche und umfasst mehrere gerade Rippenabschnitte, wobei die benachbarten geraden Rippenabschnitte unter einem Winkel ineinander übergehen. Dies kann beispielweise durch einen Winkelbereich realisiert sein. Die jeweiligen Rippen sind dabei dadurch charakterisiert, dass sie von der Plattenfläche der jeweiligen Stapelscheibe abstehen und länglich sind. In einer durch die Längsrichtung und die Stapelrichtung aufgespannten Schnittebene weist die Plattenfläche der jeweiligen Stapelscheibe durch die aufeinander folgenden Rippen eine Wellenstruktur auf.
Vorteilhafterweise können die jeweiligen aufeinanderfolgenden Rippen einen Abstand zueinander aufweisen, der in dem Führungsbereich kleiner als in den beiden Verteilbereichen ist. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Abstand der jeweiligen aufeinanderfolgenden Rippen in dem Führungsbereich um einen Faktor 1,3 bis 1,7 kleiner als in den beiden Verteilbereichen ist. Durch den größeren Abstand zwischen den benachbarten Rippen in dem jeweiligen Verteilbereich kann das jeweilige Medium optimal quer zur Längsrichtung verteilt werden und durch den kleineren Abstand der aufeinanderfolgenden Rippen in dem Führungsbereich kann eine höhere Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien erreicht werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen den benachbarten ineinander übergehenden Rippenabschnitten in dem Führungsbereich um 5° bis 20° kleiner als in den beiden Verteilbereichen ist. Durch den größeren Winkel in dem jeweiligen Verteilbereich kann die Strömung des jeweiligen Mediums in Längsrichtung besser geblockt werden, wodurch das jeweilige Medium bevorzugt quer zur Längsrichtung strömt. Entsprechend kann dadurch eine bessere Verteilung des jeweiligen Mediums quer zur Längsrichtung erreicht werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in dem jeweiligen Verteilbereich wenigstens ein Bypasskanal ausgebildet ist. Der Bypasskanal führt dann von dem Führungsbereich hinter den jeweiligen Verteilbereich und hinter einen der jeweiligen Mediumkanäle. Der Bypasskanal ist dabei einem Randbereich der jeweiligen Stapelscheibe benachbart angeordnet. Der Randbereich grenzt dabei unmittelbar an einen Rand der Stapelscheibe an, der von der Plattenfläche der jeweiligen Stapelscheibe in Stapelrichtung absteht und die Plattenfläche umläuft. Mit anderen Worten ist der Bypasskanal zwischen der Rippenstruktur innerhalb des Verteilbereichs und dem Rand der Stapelscheibe angeordnet. Der Bypasskanal unterstützt die Verteilung des jeweiligen Mediums quer zur Längsrichtung. Eine quer zur Längsrichtung definierte Breite des Bypasskanals kann beispielweise zwischen 1 mm und 4 mm betragen.
Vorteilhafterweise kann die Rippenstruktur in dem Führungsbereich quer zur Längsrichtung bis zu einem Randbereich der jeweiligen Stapelscheibe reichen, so dass eine Randströmung des jeweiligen Mediums in Längsrichtung verhindert ist. Der Randbereich grenzt dabei unmittelbar an einen Rand der Stapelscheibe an, der von der Plattenfläche der jeweiligen Stapelscheibe in Stapelrichtung absteht und die Plattenfläche umläuft. Mit anderen Worten schließt die Rippenstruktur innerhalb des Führungsbereichs quer zur Längsrichtung lückenlos an den Rand an.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Stapelscheibenwärmetauschers ist vorgesehen, dass eine in Längsrichtung definierte Länge des jeweiligen Verteilbereichs 10 % bis 20 % einer in Längsrichtung definierten Länge der jeweiligen Stapelscheibe beträgt. Entsprechend beträgt dann eine in Längsrichtung definierte Länge des Führungsbereichs 60 % bis 80 % der in Längsrichtung definierten Länge der jeweiligen Stapelscheibe.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Stapelscheibenwärmetauschers ist vorgesehen, dass die jeweiligen Stapelscheiben identisch und bezüglich einer Breitenmittelachse spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Zusätzlich sind die Stapelscheiben alternierend bezüglich einer Zentralachse um 180° gedreht zueinander angeordnet. Die Breitenmittelachse ist dabei quer zur Längsrichtung und quer zur Stapelrichtung ausgerichtet und liegt mittig in der Stapelscheibe. Mit anderen Worten teilt die Breitenmittelachse die Stapelscheibe in zwei zueinander spiegelsymmetrische Hälften auf. Die Zentralachse ist dabei der Stapelrichtung parallel angeordnet und liegt in der Mitte der jeweiligen Stapelscheibe. Der Stapelscheibenwärmetauscher wird also dadurch aufgebaut, dass jede zweite der identischen Stapelscheiben um die Zentralachse um 180° gedreht wird. Vorteilhafterweise können bei diesem Aufbau des Stapelscheibenwärmetauschers der Fertigungsaufwand und auch die Fertigungskosten deutlich reduziert werden.
Auf der spiegelsymmetrischen Stapelscheibe ist die Rippenstruktur in Bezug auf die Breitenmittelachse symmetrisch angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich die Rippenstruktur von der Breitenmittelachse in Längsrichtung beidseitig über eine gleiche Länge. Dies trifft auf gleiche Weise auf den Führungsbereich der Rippenstruktur zu, der sich von der Breitenmittelachse in Längsrichtung beidseitig über die gleiche Länge erstreckt. Die Verteilbereiche sind zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet und weisen von der Breitenmittelachse einen identischen Abstand und eine gleiche Länge in Längsrichtung auf. Entsprechend ist die Rippenstruktur innerhalb der beiden Verteilbereiche gleich, so dass die Strömungskanäle innerhalb der Verteilbereiche eine identische Form und Größe aufweisen. Die ersten Mediumkanäle und die zweiten Mediumkanäle sind in Längsrichtung einander gegenüberliegend angeordnet. Mit anderen Worten ist jeder der identischen Hälften einer der ersten Mediumkanäle und einer der zweiten Mediumkanäle zugeordnet. Die ersten Mediumkanäle und die zweiten Mediumkanäle bzw. die diesen zugeordneten Öffnungen in der Stapelscheibe sind jeweils identisch zueinander ausgebildet und weisen jeweils einen gleichen Abstand von der Breitenmittelachse in Längsrichtung auf. Ist die eine Stapelscheibe an der anderen Stapelscheibe um die Zentralachse um 180° gedreht, werden die Öffnungen der gedrehten Stapelscheibe an den Öffnungen der nicht gedrehten Stapelscheibe angeordnet.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 und 2 Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers an jeweils einem ersten und einem zweiten Mediumkanal;
3 einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers aus 1;
4 und 5 eine Ansicht und eine vergrößerte Ansicht einer Stapelscheibe in dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher;
6 eine Ansicht einer Rippenstruktur der Stapelscheibe in dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher;
7 eine Schnittansicht der Stapelscheibe in einer in 4 gezeigten Schnittebene A-A.

1 und 2 zeigen Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers 1 für ein Kraftfahrzeug. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers 1 aus 1. Der Stapelscheibenwärmetauscher 1 weist mehrere sich in Längsrichtung LR erstreckende längliche Stapelscheiben 2 auf, die senkrecht zur Längsrichtung LR in einer Stapelrichtung SR aneinander gestapelt sind. Zwischen den benachbarten Stapelscheiben 2 sind ersten Hohlräume 3a und zweiten Hohlräume 3b gebildet, die nach außen hin abgeschlossen sind. Die ersten Hohlräume 3a sind für ein erstes Medium und die zweiten Hohlräume 3b sind für ein zweites Medium vorgesehen und sind in Stapelrichtung SR alternierend angeordnet. Die ersten Hohlräume 3a und die zweiten Hohlräume 3b sind fluidisch voneinander getrennt. In dem Stapelscheibenwärmetauscher 1 sind jeweils zwei erste Mediumkanäle 4a und zwei zweite Mediumkanäle 4b vorgesehen, die durch übereinander liegende Öffnungen 5 in den Stapelscheiben 2 gebildet sind. Die jeweiligen Mediumkanäle 4a und 4b sind in Stapelrichtung SR ausgerichtet. Der Stapelscheibenwärmetauscher 1 kann beispielweise ein Kondensator sein, wobei das erste Medium dann ein Kühlmittel und das zweite Medium dann ein Kältemittel ist oder umgekehrt.
Die ersten Hohlräume 3a sind mit den beiden ersten Mediumkanälen 4a und die zweiten Hohlräume 3b sind mit den beiden zweiten Mediumkanälen 4b fluidisch verbunden. Die beiden ersten Mediumkanäle 4a sind dabei von den zweiten Hohlräumen 3a und die beiden zweiten Mediumkanäle 4b sind von den ersten Hohlräumen 3b fluidisch getrennt. Dazu sind um die Öffnungen 5, die dem jeweiligen Mediumkanal 4a oder 4b zugeordnet sind, alternierend domartige Domränder 6 ausgebildet. Die jeweiligen Domränder 6 der einen Stapelscheibe 2 sind an der benachbarten Stapelscheibe 2 festgelegt, so dass der jeweilige Hohlraum 3a oder 3b von dem jeweiligen Mediumkanal 4a oder 4b fluidisch getrennt ist. Die ersten Mediumkanäle 4a bilden dann jeweils einen Zulauf 7a und einen Ablauf 8a für das erste Medium und die zweiten Mediumkanäle 4b bilden jeweils einen Zulauf 7a und einen Ablauf 8a für das zweite Medium. In 1 und 3 sind die Schnittansichten des Stapelscheibenwärmetauschers 1 an dem ersten Mediumkanal 4a gezeigt, der sowohl den Zulauf 7a als auch den Ablauf 8a sein kann. In 2 ist die Schnittansicht des Stapelscheibenwärmetauschers 1 an dem zweiten Mediumkanal 4b gezeigt, der sowohl den Zulauf 7b als auch den Ablauf 8b sein kann.
Die jeweilige Stapelscheibe 2 weist an ihrer Plattenfläche 11 eine Rippenstruktur 12 auf, durch die mehrere von dem jeweiligen Medium durchströmbare Strömungskanäle 13 gebildet sind. Innerhalb des jeweiligen Hohlraumes 3a und 3b sind die jeweiligen Strömungskanäle 13 fluidisch miteinander verbunden und dienen der Lenkung des jeweiligen Mediums innerhalb des jeweiligen Hohlraums 3a und 3b. Über die Strömungskanäle 13 durchströmt das erste Medium die ersten Hohlräume 3a von dem Zulauf 7a zu dem Ablauf 8a und das zweite Medium die zweiten Hohlräume 3b von dem Zulauf 7b zu dem Ablauf 8b. Vorzugsweise sind die Zuläufe 7a und 7b sowie die Abläufe 8a und 8b derart zueinander angeordnet, dass die beiden Medien den Stapelscheibenwärmetauscher 1 im Gegenstrom zueinander durchströmen.
Die Stapelscheiben 2 weisen jeweils einen Rand 14 auf, der von der Plattenfläche 11 der jeweiligen Stapelscheibe 2 in Stapelrichtung SR absteht. Die jeweiligen Stapelscheiben 2 sind an den Rändern 14, an den jeweiligen Domrändern 6 und an einigen Berührungsstellen der aneinander anliegenden Rippenstrukturen 12 miteinander verlötet. Die jeweiligen aneinander gestapelten Stapelscheiben 2 bilden einen Stapel 9, der beidseitig durch Abdeckplatten 21 und 22 geschlossen bzw. eingefasst ist. Die Abdeckplatten 21 und 22 sind quer zur Stapelrichtung SR ausgerichtet und sind zueinander abweichend ausgestaltet. Die beiden Abdeckplatten 21 und 22 sind dann jeweils mit der in Stapelrichtung SR letzter Stapelscheibe 2 verlötet. Ferner ist die Abdeckplatte 21 an eine Stützscheibe 23 angebunden.
4 zeigt eine Ansicht und 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Stapelscheibe 2 mit der Rippenstruktur 12. Die Stapelscheibe 2 weist die ersten Mediumkanäle 4a auf, die den Zulauf 7a und den Ablauf 8a für das erste Medium bilden. Es versteht sich, dass der Zulauf 7a und der Ablauf 8a den beiden Mediumkanälen 4a anders als gezeigt zugeordnet sein können. Der Zulauf 7a und der Ablauf 8a sind einander gegenüberliegend angeordnet und die die ersten Mediumkanäle 4a bildenden Öffnungen 5 weisen keine Domränder 6 auf, so dass das erste Medium auf die Stapelscheibe 2 zuströmen und von dieser abströmen kann. Entsprechend ist der hier gezeigte Hohlraum der erste Hohlraum 3a, der mit dem ersten Medium durchströmbar ist. Die Stapelscheibe 2 weist ferner die zweiten Mediumkanäle 4b auf, die den Zulauf 7b und den Ablauf 8b für das zweite Medium bilden. Der Zulauf 7b und der Ablauf 8b sind einander gegenüberliegend angeordnet. Um die entsprechenden Öffnungen 5 der beiden Mediumkanäle 4b sind die Domränder 6 gebildet, so dass der hier gezeigte Hohlraum 3a von dem Zulauf 7b und von dem Ablauf 8b fluidisch getrennt ist. Die Zuläufe 7a und 7b und die Abläufe 8a und 8b sind auf der Stapelscheibe 2 derart angeordnet, dass die beiden Medien den Stapelscheibenwärmetauscher 1 im Gegenstrom zueinander durchströmen. Da die Stapelscheiben 2 in dem Stapelscheibenwärmetauscher 1 identisch sind, können die Kanäle 4a und 4b auch anders zugeordnet sein und der gezeigte Hohlraum kann auch der zweite Hohlraum 3b sein, der mit dem zweiten Medium durchströmbar ist. Es versteht sich zudem, dass unten beschriebene Vorteile der Stapelscheiben 2 auf gleiche Weise auf die Hohlräume 3a und 3b zutreffen. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Rippenstruktur 12 der Stapelscheibe 2. 7 zeigt eine Schnittansicht der Stapelscheibe 2 in der in 4 gezeigten Schnittebene A-A.
Bezugnehmend auf 4 und 5 umfasst die Rippenstruktur 12 einen Führungsbereich 15 und zwei Verteilbereiche 16, die sich quer zur Längsrichtung LR über eine gesamte Breite der Stapelscheibe 2 erstrecken und in Längsrichtung LR nebeneinander angeordnet sind. Der eine Verteilbereich 16 ist dabei um den Zulauf 7a und den Ablauf 8b, der andere Verteilbereich 16 ist um den Ablauf 8a und den Zulauf 7b und der Führungsbereich 15 ist zwischen den beiden Verteilbereichen 16 ausgebildet. Die jeweiligen Verteilbereiche 16 sind um die Mediumkanäle 4a und 4b herum angeordnet. Mit anderen Worten sind die entsprechenden Öffnungen 5 in der jeweiligen Stapelscheibe 2 vollständig innerhalb der Verteilbereiche 16 ausgebildet. Eine in Längsrichtung definierte Länge L_v des jeweiligen Verteilbereichs 16 beträgt dabei etwa 10-20 % einer in Längsrichtung LR definierten Länge L_S der jeweiligen Stapelscheibe 2. Entsprechend beträgt eine in Längsrichtung LR definierte Länge L_F des Führungsbereichs 15 etwa 60-80 % der Länge L_S der jeweiligen Stapelscheibe 2. Das Verhältnis einer Breite der Stapelscheibe 2 zu der Länge L_S beträgt vorzugsweise 0,3 bis 0,7. Beispielweise kann die Stapelscheibe 2 etwa 180 mm breit und etwa 420 mm lang sein. Die Rippenstruktur 12 unterscheidet sich in dem Führungsbereich 15 und in den beiden Verteilbereichen 16 durch Form und Größe der jeweiligen gebildeten Strömungskanäle 13, wie im Folgenden anhand 6 näher erläutert wird.
Die Rippenstruktur 12 weist dabei mehrere Rippen 17 auf, die von der Plattenfläche 11 der Stapelscheibe 2 in Stapelrichtung SR abstehen und länglich sind. Die jeweilige Rippe 17 ist dabei zickzackartig in der Plattenfläche 11 bzw. auf der Plattenfläche 11 ausgebildet. Die jeweilige Rippe 17 umfasst dabei mehrere gerade Rippenabschnitte 18, die jeweils durch einen gewinkelten Winkelabschnitt 19 miteinander verbunden sind. Die Rippen 17 erstrecken sich dabei quer zur Längsrichtung LR, wobei auf verständliche Weise die einzelnen Rippenabschnitte 18 davon abweichend ausgerichtet sind. Die Rippen 17 folgen ferner in Längsrichtung LR aufeinander, wie insbesondere in 7 zu erkennen ist. Wie in 7 erkennbar, weist die Plattenfläche 11 der jeweiligen Stapelscheibe 2 in Längsrichtung LR eine Wellenstruktur auf, die in Stapelrichtung SR beispielweise 1,4 mm hoch sein kann.
Bezugnehmend auf 4 und 5 sind in dem jeweiligen Verteilbereich 16 jeweils zwei Bypasskanäle 20 ausgebildet. Der jeweilige Bypasskanal 20 führt dabei von dem Führungsbereich 15 hinter den jeweiligen Verteilbereich 16 und hinter den jeweiligen Mediumkanal 4a oder 4b. Der jeweilige Bypasskanal 20 ist dabei zwischen dem Rand 14 und der Rippenstruktur 12 ausgebildet. Der jeweilige Bypasskanal 20 unterstützt die Verteilung des ersten Mediums quer zur Längsrichtung LR. Der jeweilige Bypasskanal 20 kann beispielweise 1 mm bis 4 mm breit sein. In dem Führungsbereich 15 schließt die Rippenstruktur 12 quer zur Längsrichtung LR lückenlos an den Rand 14 der Stapelscheibe 2 an, so dass eine Randströmung des ersten Mediums in Längsrichtung LR in dem Führungsbereich 15 verhindert ist.
Bezugnehmend auf 6 unterscheidet sich die Rippenstruktur 12 in dem jeweiligen Verteilberiech 16 und in dem Führungsbereich 15 durch einen Abstand der jeweiligen Rippen 17 zueinander. Insbesondere ist der Abstand S_V der benachbarten Rippen 17 in dem jeweiligen Verteilbereich 16 um einen Faktor zwischen 1,3 und 1,7 größer als der Abstand S_F der benachbarten Rippen 17 in dem Führungsbereich 15. Der Abstand S_F kann beispielweise 3,5 mm und der Abstand Sv kann beispielweise 5,2 mm betragen. Durch den größeren Abstand Sv kann das erste Medium in dem jeweiligen Verteilbereich 16 optimal quer zur Längsrichtung LR verteilt werden und durch den kleineren Abstand S_F kann eine höhere Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien in dem Führungsbereich 15 erreicht werden.
Die jeweiligen Rippenabschnitte 18 weisen zudem in dem Führungsbereich 15 einen Winkel α_F und in dem jeweiligen Verteilbereich 16 einen Winkel α_V zueinander auf. Der Winkel α_F ist dabei um 5° bis 20° kleiner als der Winkel α_V, so dass in dem jeweiligen Verteilbereich 16 die Strömung des jeweiligen Mediums in Längsrichtung LR besser bzw. eher geblockt werden kann. Dadurch kann das erste Medium in dem jeweiligen Verteilbereich 16 bevorzugt quer zur Längsrichtung LR strömen. Entsprechend kann dadurch in dem jeweiligen Verteilbereich 16 eine bessere Verteilung des ersten Mediums quer zur Längsrichtung LR erreicht werden. Der Winkel α_F kann beispielweise 80° und der Winkel α_V kann beispielweise 90° betragen.
Durch die derart ausgestaltete Rippenstruktur 12 strömt das erste Medium in dem Hohlraum 3a innerhalb des Verteilbereichs 16 bevorzugt quer zur Längsrichtung LR und in dem Führungsbereich 15 bevorzugt in die Längsrichtung LR. Dadurch kann die Verteilung des ersten Mediums quer zur Längsrichtung LR deutlich verbessert werden und die Druckverluste in dem Hohlraum 3a reduziert werden.
Bezugnehmend auf die 4 und 5 ist die jeweilige Stapelscheibe 2 zu einer Breitenmittelachse BMA spiegelsymmetrisch ausgebildet. Der Stapelscheibenwärmetauscher 1 kann dann aus identischen Stapelscheiben 2 gebildet sein, wobei hierzu jede zweite Stapelscheibe 2 um ihre Zentralachse ZA um 180° gedreht wird. Vorteilhafterweise können bei diesem Aufbau des Stapelscheibenwärmetauschers 1 der Fertigungsaufwand und auch die Fertigungskosten deutlich reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016201712 A1 [0002]
DE 102014226479 A1 [0002]
WO 2009/141379 A1 [0002]

Claims

Stapelscheibenwärmetauscher (1) für ein Kraftfahrzeug, - wobei der Stapelscheibenwärmetauscher (1) mehrere sich in Längsrichtung (LR) erstreckende längliche Stapelscheiben (2) aufweist, die senkrecht zur Längsrichtung (LR) in einer Stapelrichtung (SR) aneinander gestapelt sind, - wobei zwischen den benachbarten Stapelscheiben (2) nach außen hin abgeschlossene ersten Hohlräume (3a) und zweiten Hohlräume (3b) gebildet sind, die alternierend jeweils mit einem ersten Medium und mit einem zweiten Medium durchströmbar sind, - wobei die ersten Hohlräume (3a) mit zwei ersten in Längsrichtung (LR) einander gegenüberliegen Mediumkanälen (4a) und die zweiten Hohlräume (3b) mit zwei zweiten in Längsrichtung (LR) einander gegenüberliegen Mediumkanälen (4b) fluidisch verbunden sind, - wobei die jeweilige Stapelscheibe (2) an ihrer Plattenfläche (11) eine Rippenstruktur (12) aufweist, durch die mehrere von dem jeweiligen Medium durchströmbare Strömungskanäle (13) innerhalb des jeweiligen Hohlraums (3a, 3b) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, - dass die Rippenstruktur (12) einen Führungsbereich (15) und zwei Verteilbereiche (16) umfasst, wobei die Verteilbereiche (16) und der Führungsbereich (15) sich quer zur Längsrichtung (LR) erstrecken und in Längsrichtung (LR) nebeneinander angeordnet sind, - dass die ersten Mediumkanäle (4a) und die zweiten Mediumkanäle (4b) jeweils innerhalb jeweils eines der Verteilbereiche (16) ausgebildet sind, und - dass die Rippenstruktur (12) sich in dem Führungsbereich (15) und in den beiden Verteilbereichen (16) durch Form und Größe der jeweiligen gebildeten Strömungskanäle (13) unterscheidet, wobei die jeweiligen gebildeten Strömungskanäle (13) durch das jeweilige Medium in den beiden Verteilbereichen (16) bevorzugt quer zur Längsrichtung (LR) und in dem Führungsbereich (15) bevorzugt in Längsrichtung (LR) durchströmbar sind.
Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Rippenstruktur (12) mehrere Rippen (17) umfasst, die in Längsrichtung (LR) aufeinander folgen und sich quer zur Längsrichtung (LR) erstrecken, - dass die jeweilige Rippe (17) in der Plattenfläche (11) zickzackartig verläuft und mehrere gerade Rippenabschnitte (18) umfasst, und - dass die benachbarten geraden Rippenabschnitte (18) unter einem Winkel (α_F, α_V) ineinander übergehen.
Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen aufeinanderfolgenden Rippen (17) einen Abstand (S_F, S_V) zueinander aufweisen, der in dem Führungsbereich (15) kleiner als in den beiden Verteilbereichen (16) ist.
Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (S_F) der jeweiligen aufeinanderfolgenden Rippen (17) in dem Führungsbereich (15) um einen Faktor 1,3 bis 1,7 kleiner als der Abstand (Sv) der jeweiligen aufeinanderfolgenden Rippen (17) in den beiden Verteilbereichen (16) ist.
Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α_F) zwischen den benachbarten ineinander übergehenden Rippenabschnitten (18) in dem Führungsbereich (15) um 5° bis 20° kleiner als der Winkel (α_V) zwischen den benachbarten ineinander übergehenden Rippenabschnitten (18) in den beiden Verteilbereichen (16) ist.
Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweiligen Verteilbereich (16) wenigstens ein Bypasskanal (20) ausgebildet ist, der von dem Führungsbereich (15) hinter den jeweiligen Verteilbereich (16) und hinter einen der jeweiligen Mediumkanäle (4a, 4b) führt und der einem Randbereich der jeweiligen Stapelscheibe (2) benachbart ist.
Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine quer zur Längsrichtung (LR) definierte Breite des Bypasskanals (20) zwischen 1 mm und 4 mm beträgt.
Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenstruktur (12) in dem Führungsbereich (16) quer zur Längsrichtung (LR) bis zu einem Randbereich der jeweiligen Stapelscheibe (2) reicht, so dass eine Randströmung des jeweiligen Mediums in Längsrichtung (LR) verhindert ist.
Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Längsrichtung (LR) definierte Länge (L_V) des jeweiligen Verteilbereichs (16) 10 % bis 20 % einer in Längsrichtung (LR) definierten Länge (L_S) der jeweiligen Stapelscheibe (2) beträgt.
Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen benachbarten Stapelscheiben (2) an Berührungsstellen ihrer Rippenstrukturen (12) und um die jeweiligen Mediumkanäle (3a, 4a) stoffschlüssig aneinander festgelegt sind.
Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, - dass die jeweiligen Stapelscheiben (2) bezüglich einer quer zur Längsachse (LR) und quer zur Stapelrichtung (SR) angeordneter Breitenmittelachse (BMA) spiegelsymmetrisch ausgebildet sind, und - dass die jeweiligen Stapelscheiben (2) identisch ausgebildet und alternierend bezüglich einer parallel zur Stapelrichtung (SR) verlaufenden Zentralachse (ZA) um 180° zueinander gedreht angeordnet sind.