DE102020001455A1

DE102020001455A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102020001455A1
Application number: DE102020001455.0A
Authority: DE
Inventors: Daniele Zanetti; Alessandro Ferrarese
Original assignee: Hydac AG
Current assignee: Hydac AG
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Ein Wärmetauscher, insbesondere für Fluidkühlvorrichtungen, mit einem Paket aus planparallelen Platten (2), wobei zwischen Paaren übereinanderliegender Platten (2) im Wechsel Durchströmbereiche (4, 6) für ein erstes Medium, insbesondere für ein heißes Medium, und für ein zweites Medium, insbesondere für ein Kühlmedium, gebildet sind, die jeweils durch die Platten (2) auf Abstand haltende Profilleisten (12) seitlich begrenzt sind, die an den Platten (2) anliegende Verbindungsflächen (24) bilden, wobei sich die Profilleisten (12) an den Durchströmbereichen (4, 6) des ersten Mediums und des zweiten Mediums entlang von im Winkel aneinanderstoßender Ränder der Platten (2) erstrecken und wobei zumindest die Profilleisten (12) der Durchströmbereiche (6) des zweiten Mediums einen Grundkörper (14), zwei sich von diesem entlang der Verbindungsflächen (24) erstreckende Schenkel (18) sowie mindestens eine zum angrenzenden Durchströmbereich (6) offene Ausnehmung (16) aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Schenkeln (18) mindestens eine weitere zum angrenzenden Durchströmbereich (6) offene Ausnehmung (16) vorhanden ist und dass zwischen zwei benachbarten Schenkeln (18) eine Führungsleiste (32) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Fluidkühlvorrichtungen, mit einem Paket aus planparallelen Platten, wobei zwischen Paaren übereinanderliegender Platten im Wechsel Durchströmbereiche für ein erstes Medium, insbesondere für ein heißes Medium, und für ein zweites Medium, insbesondere für ein Kühlmedium, gebildet sind, die jeweils durch die Platten auf Abstand haltende Profilleisten seitlich begrenzt sind, die an den Platten anliegende Verbindungsflächen bilden, wobei sich die Profilleisten an den Durchströmbereichen des ersten Mediums und des zweiten Mediums entlang von im Winkel aneinanderstoßender Ränder der Platten erstrecken und wobei zumindest die Profilleisten der Durchströmbereiche des zweiten Mediums einen Grundkörper, zwei sich von diesem entlang der Verbindungsflächen erstreckende Schenkel sowie mindestens eine zum angrenzenden Durchströmbereich offene Ausnehmung aufweisen.
Wärmetauscher dieser Art sind Stand der Technik, vergleiche DE 10 2010 046 913 A1 . Mit Luft als Kühlmedium werden solche Wärmetauscher vielfach zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten für die Arbeitshydraulik maschineller Anlagen, wie Baumaschinen oder dergleichen, für hydrostatische Fahrantriebe oder als Ölkühler für hochbelastete Getriebe, namentlich bei Windkraftanlagen, eingesetzt. Beim Betrieb derartiger Anlagen sind die Wärmetauscher nicht nur mechanischen Belastungen, sondern wegen der hohen Betriebstemperatur abzukühlender Fluide in besonderem Maße auch thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich durch intermittierende Betriebsweisen Temperatursprünge ergeben, was aufgrund von Werkstoffdehnungen zu starken Spannungen in dem Paket der Komponenten führt, die durch Löten an den Verbindungsflächen zu einem starren Block verbunden sind. Die Folge sind Spannungsrisse, insbesondere im Bereich der Lötnähte, mit der Gefahr des Versagens des Wärmetauschers und damit der Gefährdung des zugehörigen Systems. Um der Gefahr der Bildung von Spannungsrissen zu begegnen, ist bei dem oben erwähnten, bekannten Wärmetauscher für die Ausnehmung im Grundkörper der Profilleisten eine besondere Formgebung vorgesehen, um eine zumindest näherungsweise lineare Änderung der Biegefestigkeit über die Länge der Profilleisten zu erreichen und dadurch das Biegeverhalten der Schenkel der Profilleisten zu optimieren.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, der sich bei Beibehalten der im Stand der Technik erreichten Vorteile durch ein weiter verbessertes Betriebsverhalten auszeichnet.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Gemäß dem kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass zwischen den beiden Schenkeln mindestens eine weitere zum angrenzenden Durchströmbereich offene Ausnehmung vorhanden ist und dass zwischen zwei benachbarten Schenkeln eine Führungsleiste vorgesehen ist. Das Vorhandensein zweier Ausnehmungen und die dadurch bedingte vergrößerte Materialaussparung im Grundkörper ermöglichen einerseits eine vergrößerte Bauhöhe der Profilleisten bei gleichem Gewicht, verglichen mit der bekannten Lösung. Zum anderen führt die Vergrößerung der ausgesparten Freiräume im Grundkörper neben der erreichten Material- und Kosteneinsparung auch zu einer Verbesserung des Biegeverhaltens der Schenkel und damit zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen Betriebsbelastungen, so dass ein sicherer Langzeitbetrieb ermöglicht ist. Darüber hinaus stellt die Führungsleiste mit ihrer Oberfläche zusätzliche Wärmeaustauschflächen zur Verfügung, so dass für den Wärmeaustausch auch ein besonders hoher Wirkungsgrad realisierbar ist.
Das neue Elementkonzept wurde entwickelt, um thermischen Deformationen, wie sie unter Feldbedingungen auftreten, entgegen zu wirken und um beides, mechanische und thermische Belastbarkeit beizubehalten. Die hohten Bereiche, gebildet aus einzelnen, voneinander separierten Kanälen, haben zusätzliche Vorteile im Hinblick auf den Wärmetauschereffekt. Die thermische sowie die mechanische Belastung werden reduziert. Zusätzlich im Fall des Auftretens von jeglichen Thermoschockzuständen sind diese in ihrer Wirkung reduziert, was in beiden Richtungen sowohl für Aufheiz- und Kühlsituationen gilt. Ferner kann die erfindungsgemäße Lösung für die verschiedensten Anwendungen verwendet werden.
Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen steht die Führungsleiste in Richtung des angrenzenden Durchströmbereichs, in diesen hineinragend, über die beiden Schenkel vor. Durch die lang ausgebildete Führungsleiste ist dadurch der Wärmeaustausch in besonderem Maße begünstigt.
Mit Vorteil kann die jeweilige Ausnehmung auf ihrem dem angrenzenden Durchströmbereich abgekehrten Boden mit einer Vertiefung versehen sein, wobei die jeweilige Bodenvertiefung im Querschnitt gesehen konkav, vorzugsweise halbkreisförmig, im Grundkörper verlaufend ausgebildet sein kann. Dadurch, dass dergestalt die Schenkel von einem gerundeten Fußbereich an der Bodenvertiefung im Grundkörper ausgehen, ist die Gefahr der Rissbildung minimiert.
Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist der Grundkörper mit seinen beiden Seitenwänden, seinen beiden Bodenvertiefungen und seiner dazwischenliegenden Führungsleiste zu dessen Längsachse symmetrisch ausgebildet. Aufgrund der Symmetrie ergibt sich für die Schenkel an beiden Seitenflächen das gleiche Biegeverhalten.
Vorzugsweise sind die freien Stirnseiten der beiden Schenkel und der Führungsleiste gerundet ausgebildet.
Mit Vorteil kann der Grundkörper eine senkrecht zu einem Paar von planparallelen Platten verlaufende Abschlusswand aufweisen, an die sich senkrecht mit gleicher Länge die beiden Seitenwände anschließen. Die als Verbindungsflächen dienenden Seitenwände stellen dadurch Wandflächen zur Verfügung, die im günstigen Verhältnis zur durch die Größe der Abschlusswand definierten Bauhöhe der Profilleiste stehen.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen gehen die beiden Seitenwände mit jeweils einem Übergangsbereich, der ein- und dieselbe Neigung aufweist, in die benachbart zugeordnete Bodenvertiefung über. Die beiden Schenkel verjüngen sich daher, vom Bodenbereich ausgehend, mit gleicher Neigung zur freien, gerundeten Stirnseite hin.
Ferner kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Führungsleiste mit ihren beiden gegenüberliegenden Wandbereichen, die ein- und dieselbe Neigung aufweisen, in die benachbart zugeordnete Bodenvertiefung kontinuierlich übergeht. Dadurch verjüngt sich auch die Führungsleiste mit ihren beiden gegenüberliegenden Wandbereichen zur freien Stirnseite hin mit gleicher Neigung.
Vorzugsweise ist die Neigung des Übergangsbereichs stärker gewählt als die Neigung des Wandbereichs der Führungsleiste, die dem Übergangsbereich gegenüberliegt. Dadurch besitzt die Führungsleiste eine schlankere Gestalt als die Schenkel.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:

1 in der Art einer explosionsartigen auseinandergezogenen perspektivischen Schrägansicht lediglich eines Endbereichs eines Teils des Plattenpakets des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers; und
2 eine vergrößert gezeichnete Seitenansicht lediglich einer Profilleiste zur Bildung eines Abstandhalters zwischen Platten des Pakets des Ausführungsbeispiels.

Die 1 verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel in Form eines in üblicher Plattenbauweise gefertigten Wärmetauschers mit einem Stapel ebener Platten 2, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, die in parallelen Ebenen verlaufen und Trennplatten für zwischen ihnen befindliche Durchströmbereiche bilden, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Plattenpaaren im Wechsel jeweils ein Durchströmbereich 4 für das zu kühlende Medium, beispielsweise Hydrauliköl, und ein Durchströmbereich 6 für ein Kühlmedium, etwa Kühlluft, gebildet sind. Wie aus 1 ersichtlich ist, erstrecken sich die Durchströmbereiche 4 und 6 im rechten Winkel zueinander. Der in der Zeichnung obenliegende Durchströmbereich 4 für das heiße Medium ist an zwei einander gegenüberliegenden Seiten durch in üblicher Weise gestaltete Abschlussleisten 8 geschlossen, zwischen denen sich der jeweilige Zuström- und Abströmbereich befindet, wobei zwischen den Abschlussleisten 8 in üblicher Weise Turbulatoren 10 in der Art von Lamellen vorgesehen sind.
Der Durchströmbereich 6 des Kühlmediums ist seitlich jeweils ebenfalls durch Abschlussleisten begrenzt, die die Abstandhalter zwischen dem jeweiligen Plattenpaar bilden und die als Profilleisten 12 mit besonderer, erfindungsgemäßer Gestaltung gebildet sind. Diese erfindungsgemäße Ausbildung ist anhand der 2 näher erläutert.
Wie ersichtlich, weisen die ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung vorzugsweise stranggepressten Profilleisten 12 einen quader- oder blockförmigen Grundkörper 14 auf, der dem Randbereich der Platten 2 zugewandt ist. Auf der gegenüberliegenden, dem Durchströmbereich 6 zugewandten Seite weist der Grundkörper 14 zwei Ausnehmungen 16 in Form je einer durchgehenden Längsnut sowie die Ausnehmungen 16 an der Außenseite begrenzende Schenkel 18 auf. Wie 1 zeigt, sind die Ausnehmungen 16 zum Durchströmbereich 6 hin offen, in dem sich Kühllamellen 20 befinden, die, ebenso wie die Turbulatoren 10 im Durchströmbereich 4, die effektive Wärmeübertragungsfläche vergrößern.
Am geschlossenen Ende weist der Grundkörper 14 eine ebene Abschlusswand 22 auf, die zum Paar der planparallelen Platten 2 senkrecht verläuft und an die sich beidseits in der Plattenebene verlaufende Seitenwände 24 anschließen, die mit gleicher Länge bis zum Ende 26 der Schenkel 18 verlaufen. Die Seitenwände 24, die die Lötflächen für die Verbindung mit den Platten 2 bilden, haben die gleiche Länge wie die Abschlusswand 22. Die gleich ausgebildeten Ausnehmungen 16 sind jeweils durch eine vom Ende 26 der Schenkel 18 ausgehende Längsnut, die sich über die gesamte Länge der Profilleiste 12 erstreckt, gebildet, die von einem an das Ende 26 anschließenden Übergangsbereich 28 in eine Bodenvertiefung 30 übergeht. Auf der dem Übergangsbereich 28 gegenüberliegenden Seite schließt sich an die im Querschnitt halbkreisförmigen Bodenvertiefungen 30 eine Führungsleiste 32 an, die die Form eines mittig gelegenen Steges besitzt, der sich in zu den Seitenwänden 24 paralleler Richtung in den Durchströmbereich 6 erstreckt. Die Länge der Führungsleiste 32 ist so gewählt, dass sie mit ihrem Ende 34 über das Ende 26 der Schenkel 18 mit einem Überstand vorsteht, der etwa 1/3 der Länge der Seitenwände 24 entspricht.
Wie am deutlichsten der 2 entnehmbar ist, hat die Führungsleiste 32 eine schlanke, sich von der Bodenvertiefung 30 zum Ende 34 hin kontinuierlich mit ebenen Seitenwänden 36 verjüngende Gestalt. Die Schenkel 18 haben ebenfalls eine sich zu ihrem Ende 26 hin verjüngende Gestalt, da der Übergangsbereich 28, der durch einen ebenen Flächenabschnitt gebildet ist, zur Bodenvertiefung 30 hin mit zur Seitenwand 24 geneigtem Winkel verläuft, wobei der Neigungswinkel bei beiden Übergangsbereichen 28 der gleiche ist. Ausgehend von den Bodenvertiefungen 30 verlaufen auch die Seitenwände 36 der Führungsleiste 32 mit ebenem Verlauf mit gleichem Neigungswinkel zu den Seitenwänden 24 und zueinander konvergierend zu ihrem Ende 34 hin. Die gerundeten Enden 26 der Schenkel 18 und das gerundete Ende 34 der Führungsleiste 32 besitzen jeweils die gleiche Querschnittsform und -größe. In Entsprechung zu der schlankeren Gestalt der Führungsleiste 32, verglichen mit der Form der Schenkel 18, besitzen die Übergangsbereiche 28 zu den Seitenwänden 24 eine größere Neigung als die Seitenwände 36 der Führungsleiste 32.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Querschnittsform der Profilleisten 12 mit den Ausnehmungen 16 resultiert in einer wirksamen Verringerung der betrieblichen Spannungsspitzen und der Gefahr einer Rissbildung an den die Lötflächen bildenden Seitenwänden 24. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher braucht nicht auf das Gebiet der Fluidkühlung eingeschränkt zu sein, sondern kann auch allgemein für die Kühlung gasförmiger Medien eingesetzt werden und insbesondere auch Ladeluftkühler (Dieselmotoren) sowie Nach- und Zwischenkühler (Kompressoren) mit einbeziehen. Ebenso kann ein Wärmeaustausch anstelle für Kühlungszwecke auch für eine Medientemperierung, insbesondere im Rahmen einer Beheizung vorgesehen sein. Besonders gut geeignet ist die erfindungsgemäße Wärmetauscherlösung für das Abkühlen von heißer Ladeluft wie sie von Turboladern für Motoren stammt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010046913 A1 [0002]

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für Fluidkühlvorrichtungen, mit einem Paket aus planparallelen Platten (2), wobei zwischen Paaren übereinanderliegender Platten (2) im Wechsel Durchströmbereiche (4, 6) für ein erstes Medium, insbesondere für ein heißes Medium, und für ein zweites Medium, insbesondere für ein Kühlmedium, gebildet sind, die jeweils durch die Platten (2) auf Abstand haltende Profilleisten (12) seitlich begrenzt sind, die an den Platten (2) anliegende Verbindungsflächen (24) bilden, wobei sich die Profilleisten (12) an den Durchströmbereichen (4, 6) des ersten Mediums und des zweiten Mediums entlang von im Winkel aneinanderstoßender Ränder der Platten (2) erstrecken und wobei zumindest die Profilleisten (12) der Durchströmbereiche (6) des zweiten Mediums einen Grundkörper (14), zwei sich von diesem entlang der Verbindungsflächen (24) erstreckende Schenkel (18) sowie mindestens eine zum angrenzenden Durchströmbereich (6) offene Ausnehmung (16) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Schenkeln (18) mindestens eine weitere zum angrenzenden Durchströmbereich (6) offene Ausnehmung (16) vorhanden ist und dass zwischen zwei benachbarten Schenkeln (18) eine Führungsleiste (32) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsleiste (32) in Richtung des angrenzenden Durchströmbereichs (6), in diesen hineinragend, über die beiden Schenkel (18) vorsteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Ausnehmung (16) auf ihrem dem angrenzenden Durchströmbereich (6) abgekehrten Boden mit einer Vertiefung (30) versehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Bodenvertiefung (30) im Querschnitt gesehen konkav, vorzugsweise halbkreisförmig im Grundkörper (14) verlaufend ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) mit seinen beiden Seitenwänden (24), seinen beiden Bodenvertiefungen (30) und seiner dazwischenliegenden Führungsleiste (32) zu deren Längsachse symmetrisch ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Stirnseiten (26, 34) der beiden Schenkel (18) und der Führungsleiste (32) gerundet ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) eine senkrecht zu einem Paar von planparallelen Platten (2) verlaufende Abschlusswand (22) aufweist, an die sich senkrecht mit gleicher Länge die beiden Seitenwände (24) anschließen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenwände (24) mit jeweils einem Übergangsbereich (28), der ein- und dieselbe Neigung aufweist, in die benachbart zugeordnete Bodenvertiefung (30) übergeht.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsleiste (32) mit ihren beiden gegenüberliegenden Wandbereichen (36), die ein- und dieselbe Neigung aufweisen, in die benachbart zugeordnete Bodenvertiefung (30) kontinuierlich übergeht.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Übergangsbereichs (28) stärker gewählt ist als die Neigung des Wandbereichs (36) der Führungsleiste (32), der dem Übergangsbereich (28) gegenüberliegt.