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Die Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmetauscher für ein Kraftfahrzeug.
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Ein Stapelscheibenwärmetauscher weist mehrere Stapelscheiben auf, die übereinander gestapelt sind. Zwischen den Stapelscheiben sind Hohlräume ausgebildet, die alternierend von zwei Medien durchströmbar sind. Die beiden Medien sind dabei fluidisch voneinander getrennt und können über die Stapelscheiben Wärme aufeinander übertragen. Zum Zuleiten und zum Ableiten von Medien in die Hohlräume sind in dem Stapelscheibenwärmetauscher insgesamt vier Mediumkanäle ausgebildet, die die Stapelscheiben durchdringen. Zwei dieser Mediumkanäle bilden einen Einlasskanal und einen Auslasskanal für das eine Medium und zwei andere dieser Mediumkanäle bilden einen Einlasskanal und einen Auslasskanal für das andere Medium. Aus dem jeweiligen Einlasskanal wird das jeweilige Medium in die entsprechenden Hohlräume eingeleitet und in den jeweiligen Auslasskanal wird das jeweilige Medium aus den entsprechenden Hohlräumen gesammelt.
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Je nach der Wahl der Medien kann es sich bei dem Stapelscheibenwärmetauscher beispielweise um einen Ölkühler (Öl und Kühlmittel), einen Chiller (Kältemittel und Kühlmittel) oder einen Kühlmittelkühler (Kühlmittel und Kühlmittel) handeln. Diese unterscheiden sich dabei durch die Anzahl der Stapelscheiben bzw. durch die Höhe eines Stapelblocks, der aus den Stapelscheiben gebildet ist. Insbesondere bei einer großen Anzahl der Stapelscheiben wird der Massenstrom des jeweiligen Mediums über die Höhe des Stapelblocks öfters ungleich verteilt. Dies tritt sowohl bei einphasigen Medien als auch bei zweiphasigen Medien auf. Mit anderen Worten ist der Massenstrom durch einige Hohlräume viel stärker als durch andere Hohlräume. Dadurch werden die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Fläche unzureichend genutzt und die Druckverluste in dem Stapelscheibenwärmetauscher erhöht.
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Um dies zu umgehen, kann ein zusätzliches Verteilerrohr in dem Stapelscheibenwärmetauscher angeordnet sein. Dieses ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des jeweiligen Mediums über die Höhe des Stapelblocks. Mit dem Verteilerrohr ist jedoch ein zusätzliches Bauteil in den Stapelscheibenwärmetauscher integriert, was seine Herstellungskosten erhöht. Ferner ist ein Verteilerrohr in seiner Höhe nicht variabel und auf die vorgegebene Höhe des Stapelblocks ausgelegt, so dass für unterschiedlich hohe Stapelblöcke auch unterschiedliche Verteilerrohre vorzusehen sind. Ferner ist der Kassettieraufwand erhöht. Durch Fertigungstoleranzen können zudem Undichtigkeiten zwischen dem Verteilerrohr und dem Stapelblock entstehen, die zusätzlich abgedichtet werden müssen.
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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 soll der Massenstrom in dem Stapelscheibenwärmetauscher gleichmäßig verteilt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Stapelscheibenwärmetauscher ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen und weist mehrere erste Stapelscheiben und mehrere zweite Stapelscheiben auf. Die jeweilige Stapelscheibe ist länglich ausgebildet und erstreckt sich in Längsrichtung. Die ersten Stapelscheiben und die zweiten Stapelscheiben sind alternierend und senkrecht zur Längsrichtung in einer Stapelrichtung zu einem Stapelblock gestapelt. In dem Stapelblock sind zwischen den jeweiligen benachbarten Stapelscheiben an den jeweiligen ersten Stapelscheiben nach außen hin abgeschlossene erste Hohlräume und an den jeweiligen zweiten Stapelscheiben nach außen hin abgeschlossene zweite Hohlräume gebildet. In dem Stapelblock sind zudem zwei erste Mediumkanäle und zwei zweite Mediumkanäle ausgebildet, die in Stapelrichtung ausgerichtet sind und die jeweiligen Stapelscheiben durchdringen. Die ersten Hohlräume sind mit den ersten Mediumkanälen und die zweiten Hohlräume sind mit den zweiten Mediumkanälen fluidisch verbunden, so dass die jeweiligen ersten Mediumkanäle und die jeweiligen ersten Hohlräume von einem ersten Medium und die zweiten Mediumkanäle und die zweiten Hohlräume von einem zweiten Medium durchströmbar sind. Erfindungsgemäß ändert zumindest einer der Mediumkanäle seinen Querschnitt stufenweise in Stapelrichtung.
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Die Stapelscheiben weisen dabei jeweils eine Scheibenfläche und einen Rand auf, wobei die Scheibenfläche sich quer zur Stapelrichtung erstreckt und der Rand die Scheibenfläche umläuft und in Stapelrichtung von dieser absteht. Die einzelnen Stapelscheiben sind dabei zu dem Stapelblock gestapelt und aneinander festlegt. Vorzugsweise sind die Stapelscheiben an ihren Rändern miteinander verlötet. Zweckgemäß führen die jeweiligen Mediumkanäle aus dem Stapelblock nach außen, so dass der Stapelscheibenwärmetauscher an einen ersten vom ersten Medium durchströmbaren Kreislauf und einen zweiten vom zweiten Medium durchströmbaren Kreislauf anschließbar ist. Vorteilhafterweise kann der Stapelblock des Stapelscheibenwärmetauschers beidseitig durch jeweils eine Abschlussplatte geschlossen sein. Die jeweiligen Abschlussplatten sind dabei an jeweils letzter Stapelscheibe des Stapelblocks festgelegt - beispielweise an diese angelötet - und erstrecken sich quer zur Stapelrichtung. Die jeweiligen Mediumkanäle führen dann zweckgemäß durch die eine der Anschlussplatten nach außen, so dass der Stapelscheibenwärmetauscher an die beiden Kreisläufe anschließbar ist. An dieser Abschlussplatte können hierzu Anschlussstutzen für den jeweiligen Mediumkanal integral ausgebildet oder stoffschlüssig festgelegt - beispielweise angelötet - sein.
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Die Medien können dabei sowohl einphasig - also nur flüssig - als auch zweiphasig - also gasförmig und flüssig - sein. Je nach der Wahl der beiden Medien kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher um einen Ölkühler (Öl und Kühlmittel), einen Chiller (Kältemittel und Kühlmittel) oder um einen Kühlmittelkühler (Kühlmittel und Kühlmittel) handeln. Die ersten Mediumkanäle sind dabei zum Verteilen des ersten Mediums in die ersten Hohlräume und zum Sammeln des ersten Mediums aus den ersten Hohlräumen vorgesehen. Entsprechend sind die zweiten Mediumkanäle zum Verteilen des zweiten Mediums in die zweiten Hohlräume und zum Sammeln des zweiten Mediums aus den zweiten Hohlräumen vorgesehen. Die ersten Hohlräume und die ersten Mediumkanäle sind von den zweiten Hohlräumen und den zweiten Mediumkanälen innerhalb des Stapelscheibenwärmetauschers fluidisch getrennt.
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Die jeweiligen Mediumkanäle sind in Stapelrichtung ausgerichtet und in Stapelrichtung durchströmbar. Es versteht sich, dass innerhalb der jeweiligen Mediumkanäle aufgrund des Verteilens oder Sammelns des jeweiligen Mediums in oder aus den jeweiligen Hohlräumen das jeweilige Medium auch in eine davon abweichende Richtung strömen kann. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Patentanmeldung ist jedoch die Strömungsrichtung in dem jeweiligen Mediumkanal stets als parallel zur Stapelrichtung zu verstehen. Der Begriff „Querschnitt“ ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als eine geometrische Fläche zu verstehen. Der Querschnitt des jeweiligen Mediumkanals ist durch die quer zur Stapelrichtung durchströmbare geometrische Fläche an Übergangsstellen bestimmt, die innerhalb des jeweiligen Mediumkanals zwischen zwei fluidisch ineinander übergehenden Hohlräumen gebildet ist. Beim Ändern (Verkleinern oder Vergrößern) des Querschnitts des jeweiligen Mediumkanals geht es folglich stets um Ändern (Verkleinern oder Vergrößern) der durchströmbaren geometrischen Fläche des jeweiligen Mediumkanals an einer oder an einigen oder an allen der jeweiligen Übergangsstellen. Anders formuliert: der Querschnitt des jeweiligen Mediumkanals in Stapelrichtung setzt sich aus diskontinuierlichen Werten zusammen und wird diskontinuierlich oder „stufenweise“ geändert.
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Erfindungsgemäß ändert zumindest einer der Mediumkanäle seinen Querschnitt in Stapelrichtung. Durch eine Anpassung des Querschnitts des jeweiligen Mediumkanals kann der Druckabfall in dem jeweiligen Medium bei der Abgabe in die jeweiligen Hohlräume oder bei der Aufnahme aus den jeweiligen Hohlräumen kompensiert werden. Entsprechend kann der Massenstrom des jeweiligen Mediums durch die jeweiligen einzelnen Hohlräume beeinflusst und ausgeglichen werden. Als Folge kann die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Fläche effizient genutzt werden und die Druckverluste in dem Stapelscheibenwärmetauscher reduziert werden.
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Vorteilhafterweise kann der Querschnitt des jeweiligen Mediumkanals sich in Strömungsrichtung stufenweise vergrößern oder stufenweise verkleinern. Der Querschnitt des jeweiligen Mediumkanals kann sich zwischen dem größten Querschnitt und dem kleinsten Querschnitt stufenweise ändern, wobei der kleinste Querschnitt 0,1 bis 0,8 des größten Querschnitts betragen kann. Vorteilhafterweise kann die Anzahl der Stufen zwischen 1 und 10 betragen. Bei der Anzahl der Stufen gleich 1 weist der jeweilige Mediumkanal zwei voneinander abweichende Querschnitte auf, wobei der Übergang zwischen diesen Querschnitten die genannte Stufe ergibt. Bei der Anzahl der Stufen gleich 10 weist der jeweilige Mediumkanal 11 voneinander abweichende Querschnitte auf, wobei der Übergang zwischen den jeweiligen Querschnitten jeweils eine Stufe bildet. Die einzelnen Querschnitte können dann je nach der Ausgestaltung des Mediumkanals von dem größten Querschnitt bis zum kleinsten Querschnitt sich um jeweils einen kontanten und/oder abweichenden Betrag unterscheiden.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass einer der jeweiligen ersten Mediumkanäle einen Einlasskanal zum Verteilen des ersten Mediums in die ersten Hohlräume und einer der jeweiligen zweiten Mediumkanäle einen Einlasskanal zum Verteilen des zweiten Mediums in die zweiten Hohlräume bilden. Zudem kann vorgesehen sein, dass einer der jeweiligen ersten Mediumkanäle einen Auslasskanal zum Sammeln des ersten Mediums aus den ersten Hohlräumen und einer der jeweiligen zweiten Mediumkanäle einen Auslasskanal zum Sammeln des zweiten Mediums aus den zweiten Hohlräumen bilden.
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Dabei kann der Querschnitt zumindest eines der Einlasskanäle in Strömungsrichtung stufenweise abnehmen. Mit anderen Worten kann der jeweilige Einlasskanal an dem in Strömungsrichtung ersten Hohlraum den größten Querschnitt und an dem in Strömungsrichtung letzten Hohlraum den kleinsten Querschnitt aufweisen. Vorteilhafterweise kann der Querschnitt des jeweiligen Einlasskanal stufenweise so abnehmen, dass in dem Einlasskanal die Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums im Wesentlichen konstant ist. Der Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet dabei, dass die Abweichung der Strömungsgeschwindigkeit geringer als 20%, vorzugsweise geringer als 10%, ist. Innerhalb des jeweiligen Einlasskanals wird das jeweilige Medium in jeden der jeweiligen Hohlräume abgegeben. Der Einlasskanal kann dabei seinen Querschnitt in Strömungsrichtung verkleinern, so dass durch die Abgabe entstehende Druckverluste in dem jeweiligen Medium kompensiert werden können. Mit anderen Worten kann der Druckabfall infolge der Abgabe des jeweiligen Mediums an einen der jeweiligen Hohlräume durch den stromab reduzierten Querschnitt des Einlasskanals kompensiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Querschnitt zumindest eines der Auslasskanäle in Strömungsrichtung stufenweise zunehmen. Mit anderen Worten kann der jeweilige Auslasskanal an dem in Strömungsrichtung ersten Hohlraum den kleinsten Querschnitt und an dem in Strömungsrichtung letzten Hohlraum den größten Querschnitt aufweisen. Vorteilhafterweise kann der Querschnitt zumindest eines der jeweiligen Auslasskanäle stufenweise so zunehmen, dass in diesem Auslasskanal die Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums im Wesentlichen konstant ist. Der Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet dabei, dass die Abweichung der Strömungsgeschwindigkeit geringer als 20%, vorzugsweise geringer als 10%, ist. Innerhalb des jeweiligen Auslasskanals wird das jeweilige Medium aus jedem der jeweiligen Hohlräume aufgenommen. Der Auslasskanal kann dabei seinen Querschnitt in Strömungsrichtung vergrößern, so dass durch diese Aufnahme entstehende Druckverluste in dem jeweiligen Medium kompensiert werden können. Mit anderen Worten kann der Druckverlust durch Aufnahme des jeweiligen Mediums aus einem der jeweiligen Hohlräume durch den stromab vergrößerten Querschnitt des Auslasskanals kompensiert werden.
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In dem Stapelscheibenwärmetauscher sind die ersten Mediumkanäle durch zwei erste Öffnungen und die zweiten Mediumkanäle durch zwei zweite Öffnungen in den jeweiligen Stapelscheiben gebildet. Vorzugsweise sind die jeweiligen vier Öffnungen in Eckbereichen der Stapelscheibe ausgebildet, die üblicherweise nahe rechteckig ist. Querschnitte der jeweiligen ersten Öffnungen bestimmen dabei den Querschnitt des jeweiligen ersten Mediumkanals und Querschnitte der jeweiligen zweiten Öffnungen bestimmen den Querschnitt des jeweiligen zweiten Mediumkanals. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der jeweiligen ersten Öffnung und/oder zumindest eine der jeweiligen zweiten Öffnungen eine nicht runde Form aufweisen. Beispielweise kann die jeweilige Öffnung in Form eines Vielecks oder eines abgerundeten Vielecks oder eines Ovals ausgebildet sein. Denkbar sind jedoch auch andere Formen der jeweiligen Öffnungen. Entsprechend sind die restlichen Öffnungen ohne die nicht runde Form rund.
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In den ersten Stapelscheiben führen bzw. öffnen sich die ersten Öffnungen in den jeweiligen ersten Hohlraum an der ersten Stapelscheibe. Die zweiten Öffnungen sind in der ersten Stapelscheibe jedoch an jeweils einem zweiten domartigen Vorsprung ausgebildet und öffnen in den jeweiligen benachbarten zweiten Hohlraum. Die jeweiligen domartigen zweiten Vorsprünge stehen dabei von einer Scheibenfläche der jeweiligen ersten Stapelscheibe in Stapelrichtung ab, wobei die Scheibenfläche der Stapelscheibe sich quer zur Stapelrichtung erstreckt. Anders formuliert, ist die zweite Öffnung in Stapelrichtung beabstandet zu der Scheibenfläche der ersten Stapelscheibe angeordnet. Der domartige zweite Vorsprung der ersten Stapelscheibe liegt dabei um die zweite Öffnung der benachbarten zweiten Stapelscheibe fluiddicht an, so dass die zweiten Öffnungen in der ersten Stapelscheibe und in der zweiten Stapelscheibe miteinander korrespondieren. Diese miteinander korrespondierenden zweiten Öffnungen bilden gemeinsam einen zweiten Durchgang, der aus dem jeweiligen zweiten Mediumkanal in den jeweiligen zweiten Hohlraum führt. Der Querschnitt dieses zweiten Durchgangs ist dann durch den kleinsten Querschnitt der miteinander korrespondierenden zweiten Öffnungen gegeben. Durch die zweiten domartigen Vorsprünge sind die ersten Hohlräume von dem jeweiligen zweiten Mediumkanal quer zur Stapelrichtung fluidisch getrennt. Die beiden miteinander korrespondierenden zweiten Öffnungen definieren eine Übergangsstelle, an der die jeweiligen nacheinander folgenden zweiten Hohlräume fluidisch ineinander übergehen.
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In den zweiten Stapelscheiben führen bzw. öffnen sich die zweiten Öffnungen in den jeweiligen zweiten Hohlraum. Die ersten Öffnungen sind an jeweils einem ersten domartigen Vorsprung ausgebildet und öffnen in den jeweiligen benachbarten ersten Hohlraum. Die jeweiligen domartigen ersten Vorsprünge stehen dabei von einer Scheibenfläche der jeweiligen zweiten Stapelscheibe in Stapelrichtung ab, wobei die Scheibenfläche der Stapelscheibe sich quer zur Stapelrichtung erstreckt. Anders formuliert, ist die erste Öffnung beabstandet zu der Scheibenfläche der zweiten Stapelscheibe angeordnet. Dabei liegt der domartige erste Vorsprung um die erste Öffnung der benachbarten ersten Stapelscheibe fluiddicht an, so dass die ersten Öffnungen in der zweiten Stapelscheibe und in der ersten Stapelscheibe miteinander korrespondieren. Diese miteinander korrespondierenden ersten Öffnungen bilden gemeinsam einen ersten Durchgang, der aus dem jeweiligen ersten Mediumkanal in den jeweiligen ersten Hohlraum führt. Der Querschnitt dieses ersten Durchgangs ist dann durch den kleinsten Querschnitt der miteinander korrespondierenden ersten Öffnungen bestimmt. Durch die ersten domartigen Vorsprünge sind die zweiten Hohlräume von dem jeweiligen ersten Mediumkanal quer zur Stapelrichtung fluidisch getrennt. Die beiden miteinander korrespondierenden ersten Öffnungen definieren eine Übergangsstelle, an der die jeweiligen nacheinander folgenden ersten Hohlräume fluidisch ineinander übergehen.
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Die domartigen Vorsprünge legen zudem die benachbarten Stapelscheiben beabstandet zueinander fest. Vorteilhafterweise können die benachbarten Stapelscheiben an dem jeweiligen Vorsprung miteinander stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verlötet, sein.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass bei dem jeweiligen ersten Mediumkanal die Querschnitte der jeweiligen ersten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben und/oder in den zweiten Stapelscheiben einzeln oder gruppenweise in Strömungsrichtung zunehmen oder abnehmen, so dass der Querschnitt des jeweiligen ersten Mediumkanals in Strömungsrichtung stufenweise zunimmt oder abnimmt. Bei dem jeweiligen zweiten Mediumkanal können die Querschnitte der jeweiligen zweiten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben und/oder in den zweiten Stapelscheiben einzeln oder gruppenweise in Strömungsrichtung zunehmen oder abnehmen, so dass der Querschnitt des jeweiligen zweiten Mediumkanals in Strömungsrichtung stufenweise zunimmt oder abnimmt. Der Begriff „einzeln“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Querschnitt der jeweiligen ersten Öffnungen in zwei einander folgenden ersten Stapelscheiben und/oder in zwei einander folgenden zweiten Stapelscheiben ungleich ist. Dies gilt auch für die zweiten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben und/oder in den zweiten Stapelscheiben. Der Begriff „gruppenweise“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Querschnitte der ersten Öffnungen in einer Gruppe der einander folgenden ersten Stapelscheiben und/oder in einer Gruppe der einander folgenden zweiten Stapelscheiben gleich ist. Dieser Querschnitt unterscheidet sich jedoch von dem Querschnitt der ersten Öffnungen in der dieser Gruppe folgenden ersten Stapelscheibe und/oder der dieser Gruppe folgenden zweiten Stapelscheibe. Dies gilt auch für die zweiten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben und/oder in den zweiten Stapelscheiben. Anders formuliert, kann sich der Querschnitt der jeweiligen ersten Durchgänge und/oder der Querschnitt der jeweiligen zweiten Durchgänge einzeln oder gruppenweise in Strömungsrichtung zunehmen oder abnehmen. Dabei können die Querschnitte der jeweiligen Durchgänge durch die Querschnitte der jeweiligen Öffnungen in den ersten Stapelscheiben und/oder in den zweiten Stapelscheiben bestimmt sein.
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Vorteilhafterweise kann bei dem jeweiligen ersten Mediumkanal die jeweiligen ersten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben einen konstanten Querschnitt und die jeweiligen ersten Öffnungen in den zweiten Stapelscheiben einzeln oder gruppenweise einen voneinander abweichenden Querschnitt aufweisen. Zweckgemäß ist dabei der konstante Querschnitt der ersten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben gleich oder größer als der größte Querschnitt der ersten Öffnungen in den zweiten Stapelscheiben. Dadurch ist der Querschnitt des jeweiligen ersten Durchgangs in dem jeweiligen ersten Mediumkanal jeweils durch den Querschnitt der ersten Öffnung in der zweiten Stapelscheibe bestimmt. Durch die stufenweise Änderung der Querschnitte in den ersten Öffnungen der zweiten Stapelscheiben können die Querschnitte der ersten Durchgänge einzeln oder gruppenweise stufenweise geändert werden. Entsprechend ändert sich der Querschnitt des jeweiligen ersten Mediumkanals stufenweise. Es versteht sich, dass eine Umkehrung zum gleichen Ergebnis führt. Bei der Umkehrung können die jeweiligen ersten Öffnungen in den zweiten Stapelscheiben einen konstanten Querschnitt und die jeweiligen ersten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben einzeln oder gruppenweise einen voneinander abweichenden Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt des jeweiligen ersten Durchgangs ist dann durch den Querschnitt der jeweiligen ersten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben bestimmt.
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Bei dem jeweiligen zweiten Mediumkanal können die jeweiligen zweiten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben einen konstanten Querschnitt und die jeweiligen zweiten Öffnungen in den zweiten Stapelscheiben einzeln oder gruppenweise einen voneinander abweichenden Querschnitt aufweisen. Zweckgemäß ist dabei der konstante Querschnitt der zweiten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben gleich oder größer als der größte Querschnitt der zweiten Öffnungen in den zweiten Stapelscheiben. Auch hier ist dann der Querschnitt des jeweiligen zweiten Durchgangs in dem jeweiligen zweiten Mediumkanal jeweils durch den Querschnitt der zweiten Öffnung in der zweiten Stapelscheibe bestimmt. Es versteht sich, dass auch hier eine Umkehrung zum gleichen Ergebnis führt. Bei der Umkehrung können die jeweiligen zweiten Öffnungen in den zweiten Stapelscheiben einen konstanten Querschnitt und die jeweiligen zweiten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben einzeln oder gruppenweise einen voneinander abweichenden Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt des jeweiligen zweiten Durchgangs ist dann durch den Querschnitt der jeweiligen zweiten Öffnungen in den ersten Stapelscheiben bestimmt.
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Zusammenfassend kann in dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher der Querschnitt zumindest eines der Mediumkanäle angepasst und dadurch der Massenstrom des jeweiligen Mediums in den jeweiligen einzelnen Hohlraum beeinflusst werden. Dadurch kann die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Fläche effizient genutzt werden und die Druckverluste in dem Stapelscheibenwärmetauscher reduziert werden. Dabei sind keine zusätzlichen Bauteile - wie beispielweise ein Verteilerrohr - notwendig, so dass Herstellungskosten und Herstellungsaufwand reduziert 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 eines erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers;
- 2 eine Schnittansicht eines Stapelblocks in dem erfindungsgemäßen Stapelschei benwärmetauscher;
- 3 und 4 Schnittansichten eines abweichend ausgestalteten Stapelblocks in dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher;
- 5 und 6 vergrößerte Schnittansichten eines Stapelblocks in dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher an einer Stufe im Mediumkanal;
- 7 und 8 eine vergrößerte Schnittansicht eines Stapelblocks in dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauscher an einer abweichend ausgestalteter Stufe im Mediumkanal;
- 9 bis 14 teilweise Ansichten einer Stapelscheibe mit jeweils einer abweichend ausgestalteten Öffnung.
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1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers 1 für ein Kraftfahrzeug. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Stapelblocks 2 in dem Stapelscheibenwärmetauscher 1. Bezugnehmend auf 2 sind in dem Stapelblock 2 mehrere ersten Stapelscheiben 3a und mehrere zweiten Stapelscheiben 3b in Stapelsichtung ST alternierend gestapelt. Die Stapelscheiben 3a bzw. 3b sind länglich ausgebildet und erstrecken sich in Längsrichtung LR, die senkrecht zur Stapelrichtung ST ist. Die Stapelscheiben 3a bzw. 3b weisen dabei eine nahe rechteckige Form auf. Die Stapelscheibe 3a bzw. 3b weist jeweils eine Scheibenfläche 4a bzw. 4b und einen Scheibenrand 5a bzw. 5b auf, wobei die Scheibenfläche 4a bzw. 4b sich quer zur Stapelrichtung ST erstreckt und der Scheibenrand 5a bzw. 5b die Scheibenfläche 4a bzw. 4b umläuft und in Stapelrichtung ST von der Scheibenfläche 4a bzw. 4b absteht. Zwischen den benachbarten Stapelscheiben 3a und 3b sind an den ersten Stapelscheiben 3a erste nach außen hin abgeschlossene Hohlräume 6a und an den zweiten Stapelscheiben 3b zweite nach außen hin abgeschlossene Hohlräume 6b gebildet. Die Hohlräume 6a bzw. 6b erstrecken sich jeweils zwischen den benachbarten Scheibenflächen 4a und 4b und sind zudem durch den jeweiligen Scheibenrand 5a bzw. 5b nach außen abgegrenzt.
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In der Stapelscheibe 3a und 3b sind zwei erste Öffnungen 7a und zwei zweite Öffnungen 7b ausgebildet. Die ersten Öffnungen 7a sind in dem Stapelblock 2 jeweils übereinander angeordnet und bilden jeweils einen ersten Mediumkanal 8a für ein erstes Medium M1. Der eine erste Mediumkanal 8a ist ein Einlasskanal 9a und der andere erste Mediumkanal 8a ist ein Auslasskanal 10a, durch die das erste Medium M1 in den Stapelblock 2 zuströmen und aus diesem ausströmen kann. Die zweiten Öffnungen 7b sind in dem Stapelblock 2 ebenfalls jeweils übereinander angeordnet und bilden jeweils einen zweiten Mediumkanal 8b für ein zweites Medium M2. Auch hier ist der eine zweite Mediumkanal 8b ein Einlasskanal 9b und der andere zweite Mediumkanal 8b ein Auslasskanal 10b für das zweite Medium M2. Die Öffnungen 7a und 7b liegen dabei jeweils in einem Eckbereich der Stapelscheibe 3a bzw. 3b, so dass die Mediumkanäle 8a und 8b in den Eckbereichen der Stapelscheibe 3a bzw. 3b angeordnet sind. Der Einlasskanal 9a bzw. 9b ist dabei zu dem Auslasskanal 10a bzw. 10b derart angeordnet, dass die Scheibenfläche 4a bzw. 4b und der Hohlraum 6a bzw. 6b nahe in Längsrichtung LR durchströmt werden. Ferner sind die Einlasskanäle 9a und 9b und die Auslasskanäle 10a und 10b derart zueinander angeordnet, dass der Stapelscheibenwärmetauscher 1 im Gegenstrom durchströmt wird. Mit anderen Worten strömt das erste Medium M1 in den ersten Hohlräumen 6a dem zweiten Medium M2 in den zweiten Hohlräumen 6b entgegengesetzt. In 2 sind nur eine der Öffnungen 7a und nur eine der Öffnungen 7b zu sehen. Die nicht gezeigten Öffnungen 7a und 7b sind auf gleiche Weise ausgebildet, wie beispielweise in 3, 5 und 7 erkennbar ist.
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In den ersten Stapelscheiben 3a führen die ersten Öffnungen 7a in den jeweiligen ersten Hohlraum 6a. Die zweiten Öffnungen 7b sind an jeweils einem zweiten domartigen Vorsprung 11b ausgebildet und öffnen in den benachbarten zweiten Hohlraum 6b. Der zweite Vorsprung 11b liegt dabei um die zweite Öffnung 7b der benachbarten zweiten Stapelscheibe 3b fluiddicht an, so dass die zweiten Öffnungen 7b miteinander korrespondieren und gemeinsam einen zweiten Durchgang 12b aus dem zweiten Mediumkanal 8b in den zweiten Hohlraum 6b bilden. An dem zweiten Durchgang 12b geht zudem der jeweilige zweite Hohlraum 6b in den nachfolgenden zweiten Hohlraum 6b fluidisch über, so dass der zweite Durchgang 12b eine Übergangsstelle abbildet.
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In den zweiten Stapelscheiben 3b führen die zweiten Öffnungen 7b in den jeweiligen zweiten Hohlraum 6b und die ersten Öffnungen 7a sind an jeweils einem ersten domartigen Vorsprung 11a ausgebildet. Die ersten Öffnungen 7a öffnen dadurch in den benachbarten ersten Hohlraum 6a. Der erste Vorsprung 11a liegt dabei um die erste Öffnung 7a der benachbarten ersten Stapelscheibe 3a fluiddicht an, so dass die ersten Öffnungen 7a miteinander korrespondieren und gemeinsam einen ersten Durchgang 12a aus dem ersten Mediumkanal 8a in den ersten Hohlraum 6a bilden. An dem ersten Durchgang 12a geht zudem der jeweilige erste Hohlraum 6a in den nachfolgenden ersten Hohlraum 6a fluidisch über, so dass der erste Durchgang 12a eine Übergangsstelle abbildet.
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Die Vorsprünge 11a bzw. 11b stehen von der Scheibenfläche 4b bzw. 4a der jeweiligen Stapelscheibe 3b bzw. 3a ab und legen die Stapelscheiben 3a und 3b beabstandet zueinander. An den Vorsprüngen 11a und 11b sowie an den Rändem 5a und 5b können die jeweiligen benachbarten Stapelscheiben 3a und 3b miteinander verlötet sein.
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Bezugnehmend auf 1 ist der Stapelblock 2 quer zur Stapelrichtung ST beidseitig durch jeweils eine Abschlussplatte 13 und 14 geschlossen. Die jeweiligen Abschlussplatten 13 und 14 sind dabei an jeweils letzter Stapelscheibe 3a bzw. 3b des Stapelblocks 2 festgelegt. Zweckgemäß führen die jeweiligen Mediumkanäle 8a und 8b aus dem Stapelscheibenwärmetauscher 1 durch die Abschlussplatte 13 nach außen, so dass der Stapelscheibenwärmetauscher 1 an einen ersten Kreislauf für das erste Medium M1 und an einen zweiten Kreislauf für das zweite Medium M2 anschließbar ist. Dazu sind an der Abschlussplatte 13 Anschlussstutzen für den jeweiligen Mediumkanal 8a und 8b integral ausgebildet. Die Strömung des ersten Mediums M1 und des zweiten Mediums M2 sind in 1 und auch in 2 durch Pfeile angedeutet. Dabei strömt das erste Medium M1 über den zugeordneten Anschlussstutzen in den Einlasskanal 9a ein und wird in die jeweiligen ersten Hohlräume 6a verteilt. Aus den ersten Hohlräumen 6a wird das erste Medium M1 in dem Auslasskanal 10a gesammelt und strömt über den zugeordneten Anschlussstutzen aus dem Stapelscheibenwärmetauscher 1 aus. Das erste Medium M2 strömt über den zugeordneten Anschlussstutzen in den Einlasskanal 9b ein und wird in die jeweiligen zweiten Hohlräume 6b verteilt. Aus den zweiten Hohlräumen 6b wird das zweite Medium M2 in dem Auslasskanal 10b gesammelt und strömt über den zugeordneten Anschlussstutzen aus dem Stapelscheibenwärmetauscher 1 aus. In dem Stapelblock 2 sind die beiden Medien M1 und M2 fluidisch voneinander getrennt und können über die Scheibenflächen 4a bzw. 4b Wärme aufeinander übertragen.
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Bezugnehmen auf 2 nimmt der Querschnitt Qa des hier gezeigten Einlasskanals 9a stufenweise in Strömungsrichtung SR des ersten Mediums M1 in dem Einlasskanal 9a ab. Hier sind die Stapelscheiben 3a und 3b in zwei Gruppen I und II aufgeteilt, in denen der Querschnitt Qa des Einlasskanals 9a jeweils einen Wert gleich Q1 oder Q2 hat. Dabei gilt:Q1 >Q2. Somit ist hier eine Stufe gebildet, an der sich der Querschnitt Qa von Q1 auf Q2 verkleinert. Der Querschnitt Qa des Einlasskanals 9a ist dabei durch den Querschnitt der ersten Durchgänge 12a in den beiden Gruppen I und II bestimmt. Wie oben bereits erläutert, ist der jeweilige Durchgang 12a durch die beiden korrespondierenden ersten Öffnungen 7a gebildet, so dass der Querschnitt des ersten Durchgangs 12a dem Querschnitt der kleineren dieser beiden Öffnungen 7a entspricht. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Querschnitte der ersten Öffnungen 7a in den zweiten Stapelscheiben 3b identisch und gleich Q1. Die Querschnitte der ersten Öffnungen 7a in den ersten Stapelscheiben 3a unterscheiden sich dagegen in den beiden Gruppen I und II voneinander. Der Querschnitt der ersten Öffnungen 7a in den ersten Stapelscheiben 3a ist in der Gruppe I gleich Q1 und in der Gruppe II gleich Q2. Somit verkleinert sich der Querschnitt der ersten Durchgänge 12a bzw. der Querschnitt Qa des Einlasskanals 9a von der Gruppe I zur Gruppe II von Q1 auf Q2. Der hier gezeigte Auslasskanal 10b ändert dagegen seinen Querschnitt Qb nicht. Mit anderen Worten sind in dem Auslasskanal 10b die Querschnitte der zweiten Öffnungen 7b in den Stapelscheiben 3a und 3b und dadurch die Querschnitte der zweiten Durchgänge 12b identisch zueinander.
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Es versteht sich, dass hier gezeigte Ausführung des Stapelscheibenwärmetauschers 1 rein beispielhaft ist. Es können alternativ oder zusätzlich auch der Einlasskanal 9b und/oder der Auslasskanal 10a und/oder der Auslasskanal 10b seinen Querschnitt Qa bzw. Qb in Strömungsrichtung SR stufenweise verkleinern oder vergrößern.
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3 und 4 zeigen Schnittansichten des Stapelblocks 2 mit dem abweichend ausgestalteten Einlasskanal 9a. Die Strömung des ersten Mediums M1 und des zweiten Mediums M2 sind durch Pfeile angedeutet. Im Unterschied zu 2 sind hier die Stapelscheiben 3a und 3b in fünf Gruppen I, II, III, IV und V aufgeteilt, in denen der Querschnitt Qa des Einlasskanals 9a sich stufenweise von Q1 auf Q2, von Q2 auf Q3, von Q3 auf Q4 und von Q4 auf Q5 ändert. Dabei gilt:Q1 >Q2>Q3>Q4>Q5. Somit sind hier vier Stufen gebildet, an denen sich der Querschnitt Qa von Q1 auf Q5 in Strömungsrichtung SR stufenweise verkleinert. Im Übrigen sind der Einlasskanal 9a, der Auslasskanal 10b, die Durchgänge 12a und 12b sowie die Öffnungen 7a und 7b wie in 2 gezeigt ausgebildet.
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5 und 6 zeigen vergrößerte Schnittansichten des Stapelblocks 2 an einer Stufe in dem Einlasskanal 9a. Die Strömung des ersten Mediums M1 und des zweiten Mediums M2 sind durch Pfeile angedeutet. Hier ist der Querschnitt des jeweiligen ersten Durchgangs 12a durch den Querschnitt der ersten Öffnung 7a in der ersten Stapelscheibe 3a bestimmt. Die ersten Öffnungen 7a in den zweiten Stapelscheiben 3b weisen dagegen einen kontanten Querschnitt auf. Dieser ist zweckgemäß gleich dem größten Querschnitt des Einlasskanals 9a. Dieser Aufbau der ersten Durchgänge 12a entspricht dem Aufbau der ersten Durchgänge 12a in 2 bis 4.
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7 und 8 zeigen vergrößerte Schnittansichten des Stapelblocks 2 an dem Einlasskanal 9a. Abweichend zu 2 bis 6, ist hier der Querschnitt der ersten Durchgänge 12a durch den Querschnitt der ersten Öffnungen 7a in den zweiten Stapelscheiben 3b bestimmt. Die ersten Öffnungen 7a in den ersten Stapelscheiben 3a weisen dagegen einen kontanten Querschnitt auf. Dieser ist zweckgemäß gleich dem größten Querschnitt des Einlasskanals 9a.
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Die Wirkung des jeweiligen Durchgangs 12a bzw. 12b ist durch seinen Querschnitt bestimmt und daher unabhängig davon, ob der jeweilige Durchgang 12a bzw. 12b wie in 2 bis 6 oder wie in 7 und 8 gebildet ist.
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9 bis 14 zeigen Teilansichten der Stapelscheibe 3b, bei der die zweite Öffnung 7b jeweils abweichend ausgestaltet ist. In 9 ist Öffnung 7b rund, was eine bevorzugte Ausgestaltung der Öffnung 7b darstellt. Dagegen ist die Öffnung 7b in 10 in Form eines abgerundeten Vierecks, in 11 in Form eines Ovals, in 12 in Form eines Dreiecks, in 13 in Form eines Fünfecks und in 14 in Form eines Sterns ausgebildet. Es versteht sich, dass auch die ersten Öffnungen 7a derartige Formen aufweisen können. Es versteht sich auch, dass die Form der jeweiligen Öffnungen 7a bzw. 7b auf die hier gezeigten Beispiele nicht begrenzt ist.
