DE102021207707A1

DE102021207707A1 - Plattenwärmeübertragervorrichtung, Plattenwärmeübertrager, Verfahren zur Herstellung einer Plattenwärmeübertragervorrichtung und Verwendung eines Plattenwärmeübertragers

Info

Publication number: DE102021207707A1
Application number: DE102021207707.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Winkler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2023-01-26
Also published as: CN115638681A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Plattenwärmeübertragervorrichtung für einen Plattenwärmeübertrager, mit einem Grundkörper (14a; 14b), der eine Grundkörperhaupterstreckungsebene (15a; 15b) aufweist, mit einer den Grundkörper (14a; 14b) zumindest größtenteils umgebenden Wandeinheit (16a; 16b) und mit einem von dem Grundkörper (14a; 14b) und der Wandeinheit (16a; 16b) gebildeten Aufnahmebereich (18a; 18b), der zu einer Aufnahme eines fluiden Wärmeträgers und/oder einer weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung (20a; 20b) des Plattenwärmeübertragers vorgesehen ist, wobei die Wandeinheit (16a; 16b) zumindest einen Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) aufweist, der direkt an dem Grundkörper (14a; 14b) angeordnet ist und einen, insbesondere direkt oder über eine Stufe, an den Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) anschließenden Stützwandabschnitt (24a; 24b) aufweist, wobei sich der Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) und der Stützwandabschnitt (24a; 24b) in eine von dem Grundkörper (14a; 14b) weg gerichtete Richtung erstrecken.Es wird vorgeschlagen, dass ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene (15a; 15b) parallel verlaufender maximaler Innenabstand (26a; 26b) zweier Punkte des Aufnahmewandabschnitts (22a; 22b) kleiner ist als ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene (15a; 15b) parallel verlaufender maximaler weiterer Innenabstand (28a; 28b) zweier Punkte des Stützwandabschnitts (24a; 24b).

Description

Stand der Technik
Aus EP 2 233 873 A1 ist bereits eine Plattenwärmeübertragervorrichtung für einen Plattenwärmeübertrager, mit einem Grundkörper, der eine Grundkörperhaupterstreckungsebene aufweist, mit einer den Grundkörper zumindest größtenteils umgebenden Wandeinheit und mit einem von dem Grundkörper und der Wandeinheit gebildeten Aufnahmebereich, der zu einer Aufnahme eines fluiden Wärmeträgers und/oder einer weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung des Plattenwärmeübertragers vorgesehen ist, bekannt. Die Wandeinheit weist hierbei zumindest einen Aufnahmewandabschnitt, der direkt an dem Grundkörper angeordnet ist und einen direkt an den Aufnahmewandabschnitt anschließenden Stützwandabschnitt auf, wobei sich der Aufnahmewandabschnitt und der Stützwandabschnitt in eine von dem Grundkörper weg gerichtete Richtung erstrecken.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Plattenwärmeübertragervorrichtung für einen Plattenwärmeübertrager, mit einem Grundkörper, der eine Grundkörperhaupterstreckungsebene aufweist, mit einer den Grundkörper zumindest größtenteils umgebenden Wandeinheit und mit einem von dem Grundkörper und der Wandeinheit gebildeten Aufnahmebereich, der zu einer Aufnahme eines fluiden Wärmeträgers und/oder einer weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung des Plattenwärmeübertragers vorgesehen ist, wobei die Wandeinheit zumindest einen Aufnahmewandabschnitt aufweist, der direkt an dem Grundkörper angeordnet ist und einen, insbesondere direkt oder über eine Stufe, an den Aufnahmewandabschnitt anschließenden Stützwandabschnitt aufweist, wobei sich der Aufnahmewandabschnitt und der Stützwandabschnitt in eine von dem Grundkörper weg gerichtete Richtung erstrecken.
Es wird vorgeschlagen, dass ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene parallel verlaufender maximaler Innenabstand zweier Punkte des Aufnahmewandabschnitts kleiner ist als ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene parallel verlaufender maximaler weiterer Innenabstand zweier Punkte des Stützwandabschnitts. Insbesondere ist die Plattenwärmeübertragervorrichtung dazu vorgesehen, eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeträger und einem weiteren Wärmeträger, insbesondere bei getrennter Führung der Wärmeträger, zu ermöglichen. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung ist insbesondere dazu vorgesehen, mittels eines Stapelns der Plattenwärmeübertragervorrichtung, der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung und optional zusätzlicher Plattenwärmeübertragervorrichtungen schichtweise aufzubauen, wobei insbesondere die unterschiedlichen Wärmeträger in unterschiedlichen Schichten des Plattenwärmeübertragers geführt werden. Insbesondere sind zumindest die Mehrheit aller Elemente und/oder Einheiten, insbesondere alle Elemente und/oder Einheiten, der Plattenwärmeübertragervorrichtung einteilig miteinander ausgebildet. Unter „einteilig“ soll insbesondere in einem Stück geformt verstanden werden. Vorzugsweise wird dieses eine Stück aus einem einzelnen Rohling, einer Masse und/oder einem Guss hergestellt. Bevorzugt ist die Plattenwärmeübertragervorrichtung durch Umformen, besonders bevorzugt mittels Tiefziehens, aus einem einzelnen Blech hergestellt. Vorzugsweise ist das Blech aus einem, insbesondere hitzebeständigem, Edelstahl hergestellt, beispielsweise Inconel® oder EN 1.4845, alternativ aus Kupfer, Messing, Aluminium oder einem/r anderen, dem Fachmann sinnvoll erscheinenden Metall oder Legierung.
Vorzugsweise ist der Grundkörper dazu vorgesehen, die Wärmeträger voneinander zu trennen. Insbesondere werden die Wärmeträger bezogen auf die Grundkörperhaupterstreckungsebene auf unterschiedlichen Seiten des Grundkörpers geführt. Der Grundkörper ist insbesondere flach ausgebildet. Insbesondere weist der Grundkörper in einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene senkrechten Richtung eine Materialstärke auf, die zumindest fünfmal, bevorzugt mehr als zehnmal, besonders bevorzugt mehr als zwanzigmal kleiner ist als eine maximale Quererstreckung des Grundkörpers in einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene parallelen Richtung. Unter einer „Haupterstreckungsebene“ einer Baueinheit soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche parallel zu einer größten Seitenfläche eines kleinsten gedachten Quaders ist, welcher die Baueinheit gerade noch vollständig umschließt, und insbesondere durch den Mittelpunkt des Quaders verläuft. Der Grundkörper ist beispielsweise als Grundplatte oder als Grundscheibe ausgebildet. Eine Außenkontur des Grundkörpers in einer zu der Haupterstreckungsebene parallelen Ebene ist im einfachsten Fall rechteckförmig oder kreisförmig. Alternativ ist die Außenkontur des Grundkörpers in einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene parallelen Ebene an eine durch eine Anwendung vorgegebene Form, beispielsweise an einen zur Verfügung stehenden Bauraum, angepasst und beispielsweise halbringförmig, dreieckförmig, trapezförmig, kreissegmentförmig oder dergleichen ausgebildet. Der Grundkörper kann strukturiert oder unstrukturiert ausgebildet sein. Der unstrukturierte Grundkörper weist insbesondere ebene, zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene zumindest im Wesentlichen parallele Oberflächen auf. Unter „im Wesentlichen parallel“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere in einer Ebene, verstanden werden, wobei die Richtung gegenüber der Bezugsrichtung eine Abweichung insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist. Der strukturierte Grundkörper weist vorzugsweise eine Vielzahl an Strukturelementen auf, die in den Aufnahmebereich hineinragen oder in Bezug auf den Aufnahmeraum gegen eine Oberfläche zurückversetzt angeordnet sind. Die Strukturelemente sind insbesondere zu einer Führung des Wärmeträgers durch den Aufnahmebereich hindurch, insbesondere auf oberflächenvergrö-ßernden Bahnen, vorgesehen. Eine maximale Erstreckung der Strukturelemente senkrecht zur Grundkörperhaupterstreckungsebene ist vorzugsweise größer als die Materialstärke des Grundkörpers. Die Strukturelemente sind beispielsweise auf spiralförmigen Bahnen, auf konzentrischen Bahnen, in einem Fischgrätenmuster oder einem anderen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Muster angeordnet.
Unter einen Körper „größtenteils umgebend“ soll insbesondere bis auf Materialaussparungen in zumindest einer Ebene vollständig umgebend verstanden werden, wobei die Materialaussparungen insbesondere speziell zu einem Einlassen oder Auslassen des Wärmeträgers in den/aus dem Aufnahmebereich vorgesehen sind. Die Wandeinheit umgibt den Grundkörper insbesondere in der Grundkörperhaupterstreckungsebene. Die Wandeinheit ragt insbesondere in einer Richtung quer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene über den Grundkörper hinaus, um den Aufnahmebereich zu bilden. Der Aufnahmebereich weist insbesondere einen Fluidaufnahmeteilbereich auf, der zur Aufnahme des Wärmeträgers vorgesehen ist. Der Aufnahmebereich weist insbesondere einen Stützteilbereich auf, der zur Aufnahme der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung vorgesehen ist. Der Fluidaufnahmeteilbereich wird insbesondere von Innenwänden des Aufnahmewandabschnitts und des Grundkörpers gebildet. Der Stützteilbereich wird insbesondere von dem Stützwandabschnitt gebildet. Vorzugsweise ist der Stützwandabschnitt, insbesondere über den Aufnahmewandabschnitt, beabstandet von dem Grundkörper angeordnet. Der Stützwandabschnitt ist insbesondere dazu vorgesehen, bei einer Anordnung der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung in dem Aufnahmebereich, die weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung zu stützen und/oder insbesondere einen definierten Abstand eines Grundkörpers der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung von dem Grundkörper der Plattenwärmeübertragervorrichtung zu gewährleisten. Insbesondere ist der Stützteilbereich dazu vorgesehen, einen Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung aufzunehmen. Sofern im Weiteren gleichnamige Bauteile nicht explizit anderen Vorrichtungen zugeordnet sind, wie beispielsweise der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung, sind diese ein Teil der Plattenwärmeübertragervorrichtung. Insbesondere wird der Fluidaufnahmeteilbereich bei einer Anordnung der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung in dem Stützteilbereich durch den Grundkörper der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung in eine Richtung senkrecht zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene begrenzt. Vorzugsweise weisen die Wandeinheit und der Grundkörper, insbesondere zumindest bis auf einer Fertigungstoleranz, dieselbe Materialstärke auf.
Vorzugsweise erstrecken sich der Aufnahmewandabschnitt und/oder der Stützabschnitt entlang einer Richtung, welche die Grundkörperhaupterstreckungsebene in einen von dem Aufnahmebereich abgewandten spitzen Winkel oder einen rechten Winkel schneidet. Besonders bevorzugt beträgt dieser Winkel zumindest mehr als 30°, bevorzugt mehr als 45°, besonders bevorzugt mehr als 60°. Der Stützwandabschnitt und der Aufnahmewandabschnitt können zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein oder unter einen außerhalb des Aufnahmebereichs liegenden stumpfen Winkel relativ zueinander angeordnet sein. Besonders bevorzugt beträgt dieser Winkel zumindest mehr als 120°, bevorzugt mehr als 135°, besonders bevorzugt mehr als 150°. Vorzugsweise liegen die Punkte des Aufnahmewandabschnitts mit dem maximalen Innenabstand und die Punkte des Stützwandabschnitts mit dem weiteren maximalen Innenabstand in einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene quer, insbesondere zumindest im Wesentlichen senkrecht, verlaufenden Ebene. Der Ausdruck „im Wesentlichen senkrecht“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung definieren, wobei die Richtung und die Bezugsrichtung, insbesondere in einer Projektionsebene betrachtet, einen Winkel von 90° einschließen und der Winkel eine maximale Abweichung von insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist. Vorzugsweise liegen die Punkte des Stützwandabschnitts mit dem weiteren maximalen Innenabstand in einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene zumindest im Wesentlichen parallel verlaufenden Stützebene. Vorzugsweise liegen die Punkte des Aufnahmewandabschnitts mit dem maximalen Innenabstand in einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene zumindest im Wesentlichen parallel verlaufenden, und insbesondere von der Stützebene unterschiedlichen, Aufnahmeebene. Vorzugsweise sind die den maximalen weiteren Innenabstand aufweisende Stützebene und die den maximalen Innenabstand aufweisende Aufnahmeebene zumindest im Wesentlichen parallel zueinander. Insbesondere sind die Punkte des Aufnahmewandabschnitts mit dem maximalen Innenabstand beabstandet von den Punkten des Stützwandabschnitts mit dem weiteren maximalen Innenabstand, insbesondere zumindest bezüglich einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene senkrechten Richtung, angeordnet. Ein Verlauf einer dem Aufnahmebereich zugewandten Innenwand der Wandeinheit von den Punkten des Aufnahmewandabschnitts mit dem maximalen Innenabstand zu den Punkten des Stützwandabschnitts mit dem weiteren maximalen Innenabstand kann insbesondere kontinuierlich oder sprunghaft ausgebildet sein. Insbesondere kann die Wandeinheit zumindest wandabschnittsweise oder über die gesamte Wandeinheit hinweg einen pyramidenstumpfförmigen, zylinderförmigen, konusförmigen und/oder stufenförmigen Verlauf aufweisen, insbesondere ausgehend von dem Grundkörper über den Aufnahmewandabschnitt bis zum Stützwandabschnitt und diesen eingeschlossen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Plattenwärmeübertragervorrichtung bereitgestellt werden, welche vorteilhaft einfach und kostengünstig herstellbar ist. Ferner können mehrere Plattenwärmeübertragervorrichtungen mit vorteilhaft geringem Aufwand gestapelt und insbesondere mit vorteilhaft kurzen Schweißnahtlängen zu einem Plattenwärmeübertrager verbunden werden. Insbesondere können/kann eine Auslegung und/oder Formgebung der Plattenwärmeübertragervorrichtung, insbesondere des Grundkörpers, vorteilhaft einfach und kostengünstig an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass ein Übergangswandabschnitt der Wandeinheit zwischen dem Aufnahmewandabschnitt und dem Stützwandabschnitt stufenförmig ausgebildet ist. Der Übergangswandabschnitt und der Aufnahmewandabschnitt schließen insbesondere eine außerhalb des Aufnahmebereichs liegenden stumpfen Winkel oder rechten Winkel ein. Insbesondere ist dieser Winkel kleiner als 165°, bevorzugt kleiner als 135°, besonders bevorzugt kleiner als 105°. Vorzugsweise schließen der Übergangswandabschnitt und der Stützwandabschnitt einen innerhalb des Aufnahmebereichs liegenden stumpfen Winkel oder rechten Winkel ein. Dieser Winkel ist insbesondere kleiner als 165°, bevorzugt kleiner als 135°, besonders bevorzugt kleiner als 105°. Insbesondere erstreckt sich der Übergangswandabschnitt zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dem Stützwandabschnitt und/oder dem Aufnahmewandabschnitt. Besonders bevorzugt bildet der Übergangswandabschnitt eine Stufe aus, welche insbesondere zu einer Anordnung des Grundkörpers der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung und/oder einer Wandeinheit der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung vorgesehen ist. Vorzugsweise umgibt der Übergangswandabschnitt den Aufnahmebereich in einer Ebene parallel zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene vollständig. Alternativ weist die Wandeinheit mehrere voneinander beabstandete Übergangswandabschnitte auf, die in einer Ebene parallel zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene angeordnet sind, beispielsweise bezogen auf den Aufnahmebereich auf einander gegenüberliegenden Wandinnenseiten der Wandeinheit. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Plattenwärmeübertragervorrichtung kann eine Höhe des Fluidaufnahmeteilbereichs vorteilhaft einfach angepasst werden. Insbesondere kann ein Druckverlust des Wärmeträgers bei einer Passage durch den Aufnahmebereich, insbesondere den Fluidaufnahmeteilbereich, vorteilhaft einfach an einen Anwendungsfall angepasst werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Plattenwärmeübertragervorrichtung kann eine vorteilhaft großflächige, und insbesondere nicht nur punktuelle, Auflage der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung auf der Plattenwärmeübertragervorrichtung erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Aufnahmewandabschnitt zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene verläuft. Insbesondere gibt eine maximale Erstreckung des Aufnahmewandabschnitts senkrecht zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene eine maximale Erstreckung des Fluidaufnahmeteilbereichs senkrecht zur Grundkörperhaupterstreckungsebene vor. Vorzugsweise sind lokale maximale Innenabstände zwischen je zwei Punkte in zumindest der Mehrzahl aller zur Haupterstreckungsebenen parallelen Ebenen, welche den Aufnahmewandabschnitt schneiden, zumindest im Wesentlichen gleich groß wie der (globale) maximale Innenabstand des Aufnahmewandabschnitts. Insbesondere ist der maximale Innenabstand des Aufnahmewandabschnitts kleiner als eine maximale Erstreckung des Grundkörpers einschließlich einer Materialstärke des Aufnahmewandabschnitts in der Grundkörperhaupterstreckungsebene. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Plattenwärmeübertragervorrichtung kann eine Höhe des Fluidaufnahmeteilbereichs vorteilhaft einfach angepasst werden. Insbesondere kann ein Druckverlust des Wärmeträgers bei einer Passage durch den Aufnahmebereich, insbesondere den Fluidaufnahmeteilbereich, vorteilhaft einfach an einen Anwendungsfall angepasst werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Plattenwärmeübertragervorrichtung zumindest einen Fluiddurchlass aufweist, der durch den Stützwandabschnitt oder den Aufnahmewandabschnitt hindurchführt. Vorzugsweise umfasst die Plattenwärmeübertragervorrichtung als Fluiddurchlass zumindest einen Aufnahmefluideinlass in dem Aufnahmewandabschnitt zu einem Einlassen des Wärmeträgers in den Aufnahmebereich, insbesondere in den Fluidaufnahmeteilbereich. Vorzugsweise umfasst die Plattenwärmeübertragervorrichtung als Fluiddurchlass zumindest einen Aufnahmefluidauslass in dem Aufnahmewandabschnitt zu einem Auslassen des Wärmeträgers aus dem Aufnahmebereich, insbesondere aus dem Fluidaufnahmeteilbereich. Besonders bevorzugt ist der Grundkörper frei von Öffnungen ausgebildet. Insbesondere ist der Grundkörper, insbesondere zumindest bezogen auf den Wärmeträger, fluiddicht ausgebildet. Der Wärmeträger und/oder der weitere Wärmeträger sind/ist beispielsweise ein Sauerstoffgemisch, insbesondere Luft, ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff, ein Abgas, Wasser, eine wässrige Lösung, ein Thermalöl oder dergleichen. Vorzugsweise umfasst die Plattenwärmeübertragervorrichtung als Fluiddurchlass zumindest einen Stützfluideinlass in dem Stützwandabschnitt zu einem Durchlassen des weiteren Wärmeträgers in den Aufnahmebereich, insbesondere in den Stützteilbereich. Der Stützfluideinlass ist insbesondere dazu vorgesehen, den weiteren Wärmeträger durch die Wandeinheit hindurch hin zu der in dem Aufnahmebereich anordenbaren weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung zu führen, insbesondere zu einem in einem Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung angeordneten Aufnahmefluideinlass der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung. Vorzugsweise umfasst die Plattenwärmeübertragervorrichtung als Fluiddurchlass zumindest einen Stützfluidauslass in dem Stützwandabschnitt zu einem Durchlassen des weiteren Wärmeträgers von den Aufnahmebereich, insbesondere von dem Stützteilbereich. Der Stützfluidauslass ist insbesondere dazu vorgesehen, den weiteren Wärmeträger durch die Wandeinheit hindurch von der in dem Aufnahmebereich anordenbaren weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung wegzuführen, insbesondere von einem in dem Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung angeordneten Aufnahmefluidauslass der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Grundkörper vorteilhaft einfach, insbesondere durchbruchfrei, gehalten werden. Insbesondere kann auf ein individuelles Verschweißen von Grundkörpern unterschiedlicher Plattenwärmeübertragervorrichtungen aneinander verzichtet werden, um eine Vermischung des Wärmeträgers und des weiteren Wärmeträgers zu vermeiden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine, insbesondere die bereits genannte, Materialstärke der Wandeinheit gleichgroß wie oder größer als eine Hälfte einer Differenz der maximalen Innenabstände ist. Insbesondere ist der maximale weitere Innenabstand des Stützwandabschnitts größer als die maximale Erstreckung des Grundkörpers einschließlich der Materialstärke der Wandeinheit in der Grundkörperhaupterstreckungsebene. Insbesondere sind der Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung und der Stützwandabschnitt bei einer Anordnung der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung in dem Aufnahmebereich beabstandet voneinander angeordnet oder berühren sich punktuell. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können die Außenflächen der Stützwandabschnitte aneinander angeordneter Plattenwärmeübertragervorrichtungen vorteilhaft bündig angeordnet werden. Insbesondere können die Plattenwärmeübertragervorrichtungen, insbesondere die Stützwandabschnitte, mit Kehlnähten verbunden werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass eine, insbesondere die bereits genannte, Materialstärke der Wandeinheit kleiner als eine Hälfte einer Differenz der maximalen Innenabstände ist. Insbesondere ist der maximale weitere Innenabstand des Stützwandabschnitts kleiner als die maximale Erstreckung des Grundkörpers einschließlich der Materialstärke der Wandeinheit in der Grundkörperhaupterstreckungsebene. Insbesondere sind der Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung und der Stützwandabschnitt bei einer, insbesondere durch Verpressen der Plattenwärmeübertragervorrichtungen, herbeigeführten, Anordnung der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung in dem Aufnahmebereich aneinander angeordnet und insbesondere mittels Reibschluss aneinander fixiert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft große Fertigungstoleranz bei einer Herstellung der Plattenwärmeübertragervorrichtungen erreicht werden. Insbesondere kann auf kostenintensive und/oder zeitintensive Präzessionsherstellungsverfahren verzichtet werden, um die Plattenwärmeübertragervorrichtungen innerhalb der Fertigungstoleranz herzustellen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Plattenwärmeübertragervorrichtung eine, insbesondere einzelne, Hauptschweißfläche aufweist, welche an dem Stützwandabschnitt angeordnet ist. Die Hauptschweißfläche umgibt den Aufnahmebereich zumindest größtenteils in einer zur Grundkörperhaupterstreckungsebene parallelen Ebene. Die Hauptschweißfläche ist insbesondere an einer Außenseite und/oder einer Außenkante des Stützwandabschnitts angeordnet. Abhängig von einer Ausgestaltung der Fluiddurchlässe in dem Stützwandabschnitt, unterteilen die Fluiddurchlässe die Hauptschweißfläche in zumindest zwei Teilflächen. Vorzugsweise ist der Grundkörper frei von Schweißflächen oder Lötflächen. Insbesondere bei einer Ausgestaltung, bei welcher sich der Stützwandabschnitt und der Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung berühren, ist die Hauptschweißfläche insbesondere zu einem Durchschweißen an der Außenfläche des Stützwandabschnitts angeordnet, um den Stützwandabschnitt und den Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Beispielsweise ist bei einer Ausgestaltung, bei welcher der Stützwandabschnitt und der Aufnahmewandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung voneinander beabstandet sind, die Hauptschweißfläche insbesondere zu einer Erstellung einer Kehlnaht an der Außenkante des Stützwandabschnitts angeordnet, um den Stützwandabschnitt und einen Stützwandabschnitt der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Insbesondere umfasst die Plattenwärmeübertragervorrichtung zumindest eine, insbesondere genau eine Nebenschweißfläche, welche zu einem Verschweißen mit einer Hauptschweißfläche einer zusätzlichen Plattenwärmeübertragervorrichtung vorgesehen ist. Die Nebenschweißfläche ist insbesondere in der Wandeinheit, insbesondere an einer Außenkante des Stützwandabschnitts und/oder an einer Außenfläche des Aufnahmewandabschnitts angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Plattenwärmeübertragervorrichtung kann eine benötigte Gesamtlänge von Schweißnähten, um zwei Plattenwärmeübertragervorrichtungen miteinander zu verbinden, vorteilhaft kurz gehalten werden.
Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung vorgeschlagen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Blech, insbesondere aus einem schweißbaren Material, bereitgestellt. Vorzugsweise wird das Blech zugeschnitten, sodass ein Flächeninhalt einer Gesamtoberfläche des Blechs zumindest im Wesentlichen vollständig einem Flächeninhalt einer Gesamtoberfläche der Plattenwärmeübertragungsvorrichtung entspricht. Unter „im Wesentlichen entsprechen“ soll insbesondere bis auf einen multiplikativen Faktor von mehr als 0,75, bevorzugt bis auf einen Faktor von mehr als 0,85, besonders bevorzugt bist auf einen Faktor von mehr als 0,9, gleich verstanden werden, wobei der Faktor insbesondere kleiner oder gleich 1 ist. Das Blech umfasst insbesondere einen Zentralbereich, aus welchem der Grundkörper gebildet wird, und einen Randbereich, aus welchem die Wandeinheit gebildet wird. In zumindest einem Verfahrensschritt werden die Fluiddurchlässe in das Blech, insbesondere in den Randbereich, eingefügt, besonders bevorzugt gestanzt. Ein Stanzen der Fluiddurchlässe und ein Zuschneiden des Blechs kann in einem einzigen Stanzvorgang durchgeführt werden oder in mehreren Einzelschritten durchgeführt werden. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere nach einem Stanzen der Fluiddurchlässe, wird das Blech umgeformt, insbesondere tiefgezogen. Insbesondere wird bei dem Umformen der Randbereich relativ zu dem Zentralbereich neu ausgerichtet, um die Wandeinheit und den Grundkörper zu bilden. Der Stützwandabschnitt, der Übergangswandabschnitt und/oder der Aufnahmewandabschnitt können in einem gemeinsamen Umformprozess, insbesondere Tiefziehprozess, oder in mehreren Einzelschritten gebildet werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Verfahren bereits gestellt werden, das vorteilhaft einfach und/oder vorteilhaft kostengünstig durchgeführt werden kann. Darüber hinaus kann die mit dem Verfahren hergestellte Plattenwärmeübertragervorrichtung vorteilhaft flexibel an eine Anwendung angepasst werden.
Des Weiteren wird ein Plattenwärmeübertrager mit zumindest einer erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung, insbesondere einer Vielzahl an erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtungen, und zumindest einer Abschlusseinheit, welche den Aufnahmebereich in einer von dem Grundkörper abgewandten Richtung begrenzt, vorgeschlagen. Vorzugsweise sind die Plattenwärmeübertragungsvorrichtung bezogen auf eine relative Anordnung ihrer jeweiligen Grundkörper und jeweiligen Wandeinheit, insbesondere bis auf eine Fertigungstoleranz, baugleich ausgebildet. Vorzugsweise unterscheiden sich die, insbesondere jeweils unmittelbar aneinander angeordneten, Plattenwärmeübertragervorrichtungen bezüglich einer Positionierung ihrer jeweiligen Fluiddurchlässe. Vorzugsweise sind die Plattenwärmeübertragervorrichtungen entlang einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene zumindest im Wesentlichen senkrechten Stapelrichtung aneinander angeordnet. Insbesondere ist der jeweilige Grundkörper einer der Plattenwärmeübertragervorrichtungen und der Aufnahmewandabschnitt derselben Plattenwärmeübertragervorrichtungen in dem Aufnahmebereich einer weiteren der Plattenwärmeübertragervorrichtungen angeordnet. Insbesondere sind je zwei direkt aneinander angeordnete Plattenwärmeübertragervorrichtungen mittels einer, insbesondere einzelnen, zumindest größtenteils umlaufenden Schweißnaht miteinander stoffschlüssig verbunden. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung umfasst entlang der Stapelrichtung insbesondere eine erste Plattenwärmeübertragervorrichtung, eine erste und eine letzte Plattenwärmeübertragervorrichtung. Der fluiddichte Grundkörper der ersten Plattenwärmeübertragervorrichtung fungiert insbesondere gleichzeitig als Abschluss entlang der Stapelrichtung. Der Grundkörper der Plattenwärmeübertragervorrichtung(en) weist optional eine dem Aufnahmebereich abgewandte, ebene Stellfläche auf, um den Plattenwärmeübertrager aufzustellen. Die Abschlusseinheit ist insbesondere zu einem Verschluss des Aufnahmebereichs, insbesondere des Fluidaufnahmeteilbereichs, der letzten Plattenwärmeübertragervorrichtung vorgesehen. Die Abschlusseinheit ist vorzugsweise in dem Aufnahmebereich, insbesondere in dem Stützteilbereich, angeordnet. Die Abschlusseinheit ist vorzugsweise aus einem einzelnen, insbesondere durchgängigen und durchbruchfreien, Blech, insbesondere durch Umformen, bevorzugt durch Tiefziehen, hergestellt. Die Abschlusseinheit umfasst insbesondere einen Grundkörper und eine Wandeinheit mit einem Aufnahmewandabschnitt. Vorzugsweise entsprechen Abmessungen des Grundkörpers der Abschlusseinheit zumindest im Wesentlichen Abmessungen des Grundkörpers der Plattenwärmeübertragervorrichtung(en). Vorzugsweise endet die Wandeinheit der Abschlusseinheit nach dem Aufnahmewandabschnitt und umfasst insbesondere keinen Stützwandabschnitt und insbesondere keinen Fluiddurchlass. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft kostengünstiger, vorteilhaft einfach montierbarer und/oder vorteilhaft effizienter Plattenwärmeübertrager bereitgestellt werden, insbesondere bei entsprechender Materialwahl auch für Hochtemperaturanwendungen.
Weiterhin wird eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise als Festoxidbrennstoffzellensystem, als Schmelzkarbonatbrennstoffzellensystem, als alkalisches Brennstoffzellensystem, als Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, als Direktmethanol-Brennstoffzellensystem, Phosphorsäure-Brennstoffzellensystem oder dergleichen ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Brennstoffzelleneinheit mit einer oder mehreren Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem umfasst insbesondere ein Isolationsgehäuse zu einer thermischen Isolierung der Brennstoffzelleneinheit von einer Umgebung des Brennstoffzellensystems. Die Brennstoffzelleneinheit ist insbesondere innerhalb des Isolationsgehäuses angeordnet. Das Isolationsgehäuse ist insbesondere dazu vorgesehen eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine Temperatur von mehr als 200°C, bevorzugt von mehr als 350°C, besonders bevorzugt von mehr als 500°C, innerhalb zumindest eines Teils eines Innenbereichs des Isolationsgehäuses aufrechtzuerhalten. Optional umfasst das Brennstoffzellensystem weitere Komponenten, welche, insbesondere aufgrund ihrer vorgesehenen Betriebstemperatur, innerhalb des Isolationsgehäuses angeordnet sind, beispielsweise einen Nachbrenner oder einen Reformer. Der Plattenwärmeübertrager ist vorzugsweise innerhalb des Isolationsgehäuses angeordnet. Beispielsweise überträgt der Plattenwärmeübertrager Wärme von einem Abgas der Brennstoffzelleneinheit auf eine Brennstoffzufuhr und/oder eine Sauerstoffzufuhr des Brennstoffzellensystems zu der Brennstoffzelleneinheit. Der Plattenwärmetauscher ist insbesondere zu einem Dauereinsatz in einer Hochtemperaturumgebung mit einer Umgebungstemperatur und/oder Wärmeträgertemperatur von mehr als 200°C, bevorzugt von mehr als 350°C, besonders bevorzugt von mehr als 500°C vorgesehen. Ein Dauereinsatz in der Hochtemperaturumgebung kann insbesondere einen unterbrechungsfreien Einsatz des Plattenwärmetauschers von mehreren Stunden, mehreren Tagen, mehreren Monaten oder mehreren Jahren umfassen, insbesondere unabhängig davon, ob der Plattenwärmetauscher in Betrieb ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem mit einem vorteilhaft kostengünstigen, vorteilhaft effizienten und an einen verfügbaren Bauraum vorteilhaft anpassbaren Plattenwärmeübertrager ausgestattet werden. Insbesondere kann das Isolationsgehäuse, welches die Brennstoffzelleneinheit und den Plattenwärmeübertrager aufnimmt, vorteilhaft kompakt gehalten werden.
Die erfindungsgemäße Plattenwärmeübertragervorrichtung, der erfindungsgemäße Plattenwärmeübertrager, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Verwendung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Plattenwärmeübertragervorrichtung, der erfindungsgemäße Plattenwärmeübertrager, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Verwendung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen.
Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäße Plattenwärmeübertragers,
3 eine schematische Darstellung eines teilweisen Schnitts durch den erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager,
4 eine schematische Darstellung von Zwischenprodukten im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung,
5 eine schematische Darstellung von Zwischenprodukten im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der weiteren erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung,
6 eine schematische Darstellung von Zwischenprodukten im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Abschlusseinheit des erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers,
7 einen schematischen Querschnitt durch den erfindungsgemä-ßen Plattenwärmeübertrager,
8 einen schematischen Schaltplan eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Verwendung des erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers,
9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung,
10 einen schematischen Querschnitt durch die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung,
11a eine schematische Veranschaulichung eines Wärmeträgerstroms durch die erfindungsgemäße Plattenwärmeübertragervorrichtung zur Realisierung eines Gegenstromprinzips,
11b eine schematische Veranschaulichung eines Wärmeträgerstroms durch eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung zur Realisierung eines Gleichstromprinzips und
11c eine schematische Veranschaulichung eines Wärmeträgerstroms durch eine weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragervorrichtung zur Realisierung eines Kreuzstromprinzips.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a für einen Plattenwärmeübertrager 12a, der in den 2 und 3 dargestellt ist. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a umfasst einen Grundkörper 14a. Der Grundkörper 14a weist eine Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a auf. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a umfasst eine den Grundkörper 14a zumindest größtenteils umgebende Wandeinheit 16a. Die Wandeinheit 16a ist insbesondere einstückig mit dem Grundkörper 14a ausgebildet. Insbesondere ist die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a ein einzelnes tiefgezogenes Bauteil, welches aus einem einzelnen Blech 60a hergestellt ist (vgl. 4). Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a umfasst einen Aufnahmebereich 18a. Der Aufnahmebereich 18a wird von dem Grundkörper 14a und der Wandeinheit 16a gebildet. Insbesondere begrenzt eine dem Aufnahmebereich 18a zugewandte Oberfläche des Grundkörpers 14a den Aufnahmebereich 18a in einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a zumindest im Wesentlichen senkrechten Richtung. Insbesondere begrenzt eine dem Aufnahmebereich 18a zugewandte Innenwand der Wandeinheit 16a den Aufnahmebereich 18a in zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a parallelen Ebenen. Der Aufnahmebereich 18a ist zu einer Aufnahme eines fluiden Wärmeträgers und/oder einer weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a des Plattenwärmeübertragers 12a vorgesehen (vgl. insbesondere 3). Insbesondere bildet die Wandeinheit 16a eine Öffnung des Aufnahmebereichs 18a in einer Richtung entgegen der Richtung, in welche der Grundkörper 14a den Aufnahmebereich 18a begrenzt.
Die Wandeinheit 16a umfasst zumindest einen Aufnahmewandabschnitt 22a. Der Aufnahmewandabschnitt 22a ist direkt an dem Grundkörper 14a angeordnet. Der Aufnahmewandabschnitt 22a ist insbesondere zu einer Aufnahme des Wärmträgers vorgesehen. Die Wandeinheit 16a umfasst zumindest einen Stützwandabschnitt 24a. Der Stützwandabschnitt 24a schließt, insbesondere über eine Stufe, an den Aufnahmewandabschnitt 22a an. Der Stützwandabschnitt 24a ist insbesondere zu einer Aufnahme der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a vorgesehen (vgl. 3). Ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a parallel verlaufender maximaler Innenabstand 26a zweier Punkte des Aufnahmewandabschnitts 22a ist kleiner als ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a parallel verlaufender maximaler weiterer Innenabstand 28a zweier Punkte des Stützwandabschnitts 24a.
Die Abschnitte der Wandeinheit 16a und der Grundkörper 14a umfassen jeweils drei, insbesondere zueinander senkrechte, maximale Erstreckungen, welche im Folgenden Länge, Breite und Materialstärke genannt werden, wobei die Länge größer als oder gleich wie die Breite ist und die Breite größer als oder gleich wie die Materialstärke ist. Insbesondere verläuft eine Länge der Aufnahmewandabschnitte 22a und/oder der Stützwandabschnitte 24a innerhalb je einer zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a zumindest im Wesentlichen parallelen Ebene. Der Aufnahmewandabschnitt 22a, insbesondere eine Breite und/oder eine Materialstärke 36a des Aufnahmewandabschnitts 22a, und der Stützwandabschnitt 24a, insbesondere eine Breite und/oder Materialstärke des Stützwandabschnitts 24a, erstrecken sich in eine von dem Grundkörper 14a, insbesondere von der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a, weg gerichteten Richtung. Die Wandeinheit 16a umfasst einen Übergangswandabschnitt 30a. Der Übergangswandabschnitt 30a ist zwischen dem Aufnahmewandabschnitt 22a und dem Stützwandabschnitt 24a angeordnet. Der Übergangswandabschnitt 30a ist stufenförmig ausgebildet. Der Aufnahmewandabschnitt 22a, insbesondere die Breite des Aufnahmewandabschnitts 22a, verläuft zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a. Der Übergangswandabschnitt 30a, insbesondere eine Breite des Übergangswandabschnitts 30a, verläuft insbesondere zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dem Aufnahmewandabschnitt 22a, insbesondere zu der Breite des Aufnahmewandabschnitts 22a, und/oder zu dem Stützwandabschnitt 24a, insbesondere zu der Breite des Stützwandabschnitts 24a. Der Übergangswandabschnitt 30a, insbesondere die Breite des Übergangswandabschnitts 30a, verläuft insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a. Der Aufnahmewandabschnitt 22a, insbesondere die Breite des Aufnahmewandabschnitts 22a, und der Stützwandabschnitt 24a, insbesondere die Breite des Stützwandabschnitts 24a, verlaufen bevorzugt zumindest im Wesentlichen parallel zueinander.
Die Materialstärke 36a des Aufnahmewandabschnitts 22a verläuft vorzugsweise zumindest im Wesentlichen parallel zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a. Eine Materialstärke der Wandeinheit 16a, insbesondere die Materialstärke 36a des Aufnahmewandabschnitts 22a, ist gleich groß wie oder größer als eine Hälfte einer Differenz 48a der maximalen Innenabstände 26a, 28a. Besonders bevorzugt hat der Stützwandabschnitt 24a, der Aufnahmewandabschnitt 22a, der Übergangswandabschnitt 30a und/oder der Grundkörper 14a, insbesondere zumindest bis auf eine Fertigungstoleranz, denselben Wert für ihre jeweilige Materialstärke.
2 und 3 zeigen den Plattenwärmeübertrager 12a. Der Plattenwärmeübertrager 12a umfasst zumindest die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a. Der Plattenwärmeübertrager 12a umfasst insbesondere die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a. Die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a ist zumindest im Wesentlichen baugleich zu der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a ausgebildet. Insbesondere umfasst die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a die gleichen Bauteile wie die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a. Zu einer Unterscheidung sind den Bezugszeichen von Bauteilen andere Vorrichtungen als der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a Apostrophe (‘) angehängt, um sie von den gleichnamigen Bauteilen der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a zu unterscheiden. Die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a umfasst vorzugsweise einen Grundkörper 14a' und eine Wandeinheit 16a'. Die Wandeinheit 16a' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a umfasst insbesondere analog zu der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a einen Aufnahmewandabschnitt 22a' und einen Stützwandabschnitt 24a'. Die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a ist an der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a angeordnet. Insbesondere ist der Aufnahmewandabschnitt 22a' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a in dem Aufnahmebereich 18a der Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a angeordnet. Insbesondere ist der Grundkörper 14a' und/oder der Aufnahmewandabschnitt 22a' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a an einem von dem Grundkörper 14a der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a abgewandten Ende des Aufnahmewandabschnitts 22a und/oder des Übergangswandabschnitts 30a der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a angeordnet. Insbesondere umgibt der Stützwandabschnitt 24a der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a den Aufnahmewandabschnitt 22a' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a in einer zur Grundkörperhaupterstreckungsebene 15a parallelen Ebene zumindest größtenteils.
Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a umfasst zumindest einen Fluiddurchlass 32a, 34a, der durch den Aufnahmewandabschnitt 22a hindurchführt (vgl. 4). Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a umfasst zumindest einen Fluiddurchlass 54a, 56a, der durch den Stützwandabschnitt 24a hindurchführt (vgl. 4). Der Fluiddurchlass 32a, 34a, 54a, 56a erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Aufnahmewandabschnitts 22a oder des Stützwandabschnitts 24a. Alternativ ist der Fluiddurchlass 32a, 34a, 54a, 56a kleiner als die Breite des Aufnahmewandabschnitts 22a oder des Stützwandabschnitts 24a. Vorzugsweise sind die Fluiddurchlässe 32a, 34a, 54a, 56a auf unterschiedlichen Seiten der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a angeordnet. Vorzugsweise umfasst die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a zumindest einen Fluiddurchlass 32a', 34a', 54a', 56a' (vgl. 5). Insbesondere unterscheiden sich die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a und die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a durch die Positionierung ihrer jeweiligen Fluiddurchlässe 32a, 34a, 54a, 56a, 32a', 34a', 54a', 56a'. Insbesondere ist der zumindest eine Fluiddurchlass 54a, 56a in dem Stützwandabschnitt 24a der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a überlappend, insbesondere deckungsgleich, mit dem Fluiddurchlass 32a', 34a' des Aufnahmewandabschnitts 22a' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a angeordnet.
Vorzugsweise umfasst der Plattenwärmeübertrager 12a eine Vielzahl an zusätzlichen Plattenwärmeübertragervorrichtungen, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen sind. Insbesondere sind die Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10a, 20a entlang einer Stapelrichtung aneinander angeordnet. Vorzugsweise sind die zusätzlichen Plattenwärmeübertragervorrichtungen entlang der Stapelrichtung abwechselnd, insbesondere bis auf eine Fertigungstoleranz, baugleich wie die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a oder baugleich wie die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a ausgebildet. Der Plattenwärmeübertrager 12a umfasst zumindest eine Abschlusseinheit 42a. Die Abschlusseinheit 42a begrenzt einen Aufnahmebereich 18a" einer entlang der Stapelrichtung letzten Plattenwärmeübertragervorrichtung 11a des Plattenwärmeübertragers 12a einer von einem Grundkörper 14a" der letzten Plattenwärmeübertragervorrichtung 11a abgewandten Richtung.
4 zeigt Zwischenprodukte eines Verfahrens 40a zur Herstellung der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a. Insbesondere wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Blech 60a bereitgestellt. Vorzugsweise werden die Fluiddurchlässe 32a, 34a, 54a, 56a in das Blech 60a gestanzt. Das Blech 60a wird vorzugsweise umgeformt, insbesondere tiefgezogen, um die Wandeinheit 16a und den Grundkörper 14a herauszubilden. Das Blech 60a umfasst insbesondere einen Zentralbereich, welcher den Grundkörper 14a bildet, insbesondere durch ein Umformen des Blechs 60a an einer Umformkontur 52a. Das Blech 60a umfasst insbesondere einen den Zentralbereich umgebenden Randbereich, welcher die Wandeinheit 16a bildet. Der Randbereich umfasst insbesondere einen inneren Rand, der den Aufnahmewandabschnitt 22a bildet. Der Randbereich umfasst insbesondere einen äußeren Rand, der den Stützwandabschnitt 24a bildet. Der äußere Rand und der innere Rand sind vorzugsweise konzentrisch auf dem Blech 60a angeordnet. Insbesondere wird der Stützwandabschnitt 24a durch ein Umformen des Blechs 60a an einer weiteren Umformkontur 50a gebildet. Die Umformkontur 52a und die weitere Umformkontur 50a sind vorzugsweise konzentrisch angeordnet. Insbesondere sind die Fluiddurchlässe 54a, 56a des Aufnahmewandabschnitts 22a, die zu einem Durchlassen eines Fluidstroms 58a entlang des Grundkörpers 14a vorgesehen sind, auf dem inneren Rand zwischen der Umformkontur 52a und der weiteren Umformkontur 50a angeordnet. Insbesondere sind die Fluiddurchlässe 32a, 34a des Stützwandabschnitts 24a, die zu einem Durchlass eines Fluidstroms 58a' zu dem weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a vorgesehen sind, auf dem äußeren Rand zwischen der weiteren Umformkontur 50a und einer Blechkante des Blechs 60a angeordnet
5 zeigt Zwischenprodukte des Verfahrens 40a zur Herstellung der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a. In zumindest einem Verfahrensschritt wird eine Blech 60a' bereitgestellt, das insbesondere gleich groß wie das Blech 60a zur Herstellung der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a ist. Insbesondere werden die Fluiddurchlässe 54a', 56a' des Aufnahmewandabschnitts 22a' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a in einer Position innerhalb eines inneren Rands des Blechs 60a' gestanzt, welcher einer Position der Fluiddurchlässe 32a, 34a auf dem äußeren Rand des Blechs 60a der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a aus 4 entspricht. Insbesondere werden die Fluiddurchlässe 32a', 34a' des Stützwandabschnitts 24a' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a in einer Position innerhalb des äußeren Rands des Blechs 60a' gestanzt, welcher einer Position der Fluiddurchlässe 54a, 56a auf dem inneren Rand des Blechs 60a der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a aus 4 entspricht.
6 zeigt Zwischenprodukte des Verfahrens 40a zur Herstellung der Abschlusseinheit 42a. Insbesondere wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Blech 60a''' bereitgestellt, das insbesondere kleiner ist als das Blech 60a zur Herstellung der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a. Vorzugsweise wird das Blech 60a'", insbesondere nur, entlang einer Umformkontur 50a'' umgeformt, welches einen Zentralbereich von einem Randbereich trennt. Insbesondere umfasst eine Wandeinheit 16a''' der Abschlusseinheit 42a keinen Stützwandabschnitt. Alternativ ist die Abschlusseinheit 42a als massive Platte ausgebildet.
7 zeigt einen Querschnitt des Plattenwärmeübertragers 12a. Insbesondere sind die Stützwandabschnitte 24a, 24a' der Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10a, 20a bündig aneinander angeordnet. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a umfasst eine Hauptschweißfläche 38a, welche an dem Stützwandabschnitt 24a angeordnet ist. Insbesondere ist die Hauptschweißfläche 38a an einer Außenkante des Stützwandabschnitts 24a angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10a, 20a, insbesondere die Stützwandabschnitte 24a, 24a', mittels Kehlnähten miteinander verbunden.
8 zeigt eine Verwendung 44a des Plattenwärmeübertragers 12a in einem Brennstoffzellensystem 46a. Das Brennstoffzellensystem 46a umfasst insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 62a. Das Brennstoffzellensystem 46a umfasst insbesondere eine Brennstoffzufuhr 72a zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 62a mit einem Brennstoff. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 46a zumindest eine Sauerstoffzufuhr 70a zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 62a mit Sauerstoff. Insbesondere umfasst das Brennstoffzellensystem 46a zumindest eine Abgasleitung 68a zu einem Ableiten eines Abgases aus der Brennstoffzelleneinheit 62a. Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 46a weitere Komponenten zu einer Aufbereitung und/oder Nachbereitung des Brennstoffs, des Sauerstoffs und/oder des Abgases, beispielsweise einen Reformer 67a und/oder einen Nachbrenner 66a.
Das Brennstoffzellensystem 46a ist insbesondere als Hochtemperaturbrennstoffzellensystem ausgebildet. Beispielsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit 62a zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle, insbesondere mehrere Festoxidbrennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem 46a umfasst insbesondere ein Isolationsgehäuse 64a, zu einer Aufrechterhaltung einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 62a, insbesondere einer Temperatur von mehr als 500°C. Zumindest die Brennstoffzelleneinheit 62a und optional der Nachbrenner 66a und/oder der Reformer 67a ist/sind in dem Isolationsgehäuse 64a angeordnet. Insbesondere ist der Plattenwärmeübertrager 12a in dem Isolationsgehäuse 64a angeordnet. Der Plattenwärmeübertrager 12a wird insbesondere dazu verwendet Wärme von dem Abgas auf den Brennstoff und/oder den Sauerstoff zu übertragen.
In den 9 bis 11c sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 8, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 8 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 9 bis 11c ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis d ersetzt.
9 zeigt eine Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b für einen Plattenwärmeübertrager 12b (siehe 10). Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b umfasst einen Grundkörper 14b. Der Grundkörper 14b weist eine Grundkörperhaupterstreckungsebene 15b auf. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b umfasst eine den Grundkörper 14b zumindest größtenteils umgebende Wandeinheit 16b. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b umfasst einen Aufnahmebereich 18b. Der Aufnahmebereich 18b wird von dem Grundkörper 14b und der Wandeinheit 16b gebildet Der Aufnahmebereich 18b ist zu einer Aufnahme eines fluiden Wärmeträgers und/oder einer weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20b des Plattenwärmeübertragers 12b vorgesehen. Die Wandeinheit 16b umfasst zumindest einen Aufnahmewandabschnitt 22b. Der Aufnahmewandabschnitt 22b ist direkt an dem Grundkörper 14b angeordnet. Die Wandeinheit 16b umfasst zumindest einen Stützwandabschnitt 24b. Der Stützwandabschnitt 24b schließt, insbesondere über eine Stufe, an den Aufnahmewandabschnitt 22b an. Ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15b parallel verlaufender maximaler Innenabstand 26b zweier Punkte des Aufnahmewandabschnitts 22b ist kleiner als ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene 15b parallel verlaufender maximaler weiterer Innenabstand 28b zweier Punkte des Stützwandabschnitts 24b. Eine Materialstärke 36b der Wandeinheit 16b, insbesondere eine Materialstärke 36b des Aufnahmewandabschnitts 22b, ist kleiner als eine Hälfte einer Differenz 48b der maximalen Innenabstände 26b, 28b.
10 zeigt einen Querschnitt des Plattenwärmeübertragers 12b. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b, die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20b und/oder zusätzliche Plattenwärmeübertragervorrichtungen werden entlang einer Stapelvorrichtung miteinander verpresst. Insbesondere ist ein Aufnahmewandabschnitt 22b' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20b an dem Stützwandabschnitt 24b der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b angeordnet und insbesondere mittels eines Reibschlusses fixiert. Die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b umfasst eine Hauptschweißfläche 38b, welche an dem Stützwandabschnitt 24b angeordnet ist. Insbesondere ist die Hauptschweißfläche 38b an einer Außenfläche des Stützwandabschnitts 24b angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10b, 20b, insbesondere der Stützwandabschnitt 24b der Plattenwärmeübertragervorrichtung 10b und der Aufnahmewandabschnitt 22b' der weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a mittels Durschweißen miteinander verbunden.
Bezüglich weiterer Merkmale der Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10b, 20b und/oder des Plattenwärmeübertragers 12b darf auf die 1 bis 8 sowie deren Beschreibung verwiesen werden.
11 zeigt einen Vergleich verschieden ausgestalteter, erfindungsgemäßer Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10a, 20a; 10c, 20c; 10d, 20d, welche sich, insbesondere nur, durch die Positionierung ihrer jeweiligen Fluiddurchlässe 54a, 56a, 54a', 56a'; 54c, 56c, 54c', 56c'; 54d, 56d, 54d', 56d'.
11a zeigt die Plattenwärmeübertragervorrichtung 10a und die weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20a, welche insbesondere ein Gegenstromprinzip für die Wärmeträger umsetzen.
11b zeigt eine Plattenwärmeübertragervorrichtung 10c und eine weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20c, welche insbesondere ein Gleichstromprinzip für Wärmeträger umsetzen. Bezüglich weiterer Merkmale der Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10c, 20c darf auf die 1 bis 10 sowie deren Beschreibung verwiesen werden.
11c zeigt eine Plattenwärmeübertragervorrichtung 10d und eine weitere Plattenwärmeübertragervorrichtung 20d, welche insbesondere ein Kreuzstromprinzip für Wärmeträger umsetzen. Bezüglich weiterer Merkmale der Plattenwärmeübertragervorrichtungen 10d, 20d darf auf die 1 bis 10 sowie deren Beschreibung verwiesen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2233873 A1 [0001]

Claims

Plattenwärmeübertragervorrichtung für einen Plattenwärmeübertrager, mit einem Grundkörper (14a; 14b), der eine Grundkörperhaupterstreckungsebene (15a; 15b) aufweist, mit einer den Grundkörper (14a; 14b) zumindest größtenteils umgebenden Wandeinheit (16a; 16b) und mit einem von dem Grundkörper (14a; 14b) und der Wandeinheit (16a; 16b) gebildeten Aufnahmebereich (18a; 18b), der zu einer Aufnahme eines fluiden Wärmeträgers und/oder einer weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung (20a; 20b) des Plattenwärmeübertragers vorgesehen ist, wobei die Wandeinheit (16a; 16b) zumindest einen Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) aufweist, der direkt an dem Grundkörper (14a; 14b) angeordnet ist und einen, insbesondere direkt oder über eine Stufe, an den Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) anschließenden Stützwandabschnitt (24a; 24b) aufweist, wobei sich der Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) und der Stützwandabschnitt (24a; 24b) in eine von dem Grundkörper (14a; 14b) weg gerichtete Richtung erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene (15a; 15b) parallel verlaufender maximaler Innenabstand (26a; 26b) zweier Punkte des Aufnahmewandabschnitts (22a; 22b) kleiner ist als ein zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene (15a; 15b) parallel verlaufender maximaler weiterer Innenabstand (28a; 28b) zweier Punkte des Stützwandabschnitts (24a; 24b).
Plattenwärmeübertragervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangswandabschnitt (30a; 30b) der Wandeinheit (16a; 16b) zwischen dem Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) und dem Stützwandabschnitt (24a; 24b) stufenförmig ausgebildet ist.
Plattenwärmeübertragervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Grundkörperhaupterstreckungsebene (15a; 15b) verläuft.
Plattenwärmeübertragervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Fluiddurchlass (32a, 34a, 54a, 56a; 32b, 34b, 54b, 56b), der durch den Stützwandabschnitt (24a; 24b) oder den Aufnahmewandabschnitt (22a; 22b) hindurchführt.
Plattenwärmeübertragervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke (36a) der Wandeinheit (16a) gleichgroß wie oder größer als eine Hälfte einer Differenz (48a) der maximalen Innenabstände (26a, 28a) ist.
Plattenwärmeübertragervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke (36b) der Wandeinheit (16b) kleiner als eine Hälfte einer Differenz (48b) der maximalen Innenabstände (26b, 28b) ist.
Plattenwärmeübertragervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, insbesondere einzelne, Hauptschweißfläche (38a; 38b), welche an dem Stützwandabschnitt (24a; 24b) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Plattenwärmeübertragervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Plattenwärmeübertrager mit zumindest einer Plattenwärmeübertragervorrichtung, insbesondere einer Vielzahl an Plattenwärmeübertragervorrichtungen, nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und zumindest einer Abschlusseinheit (42a; 42b), welche den Aufnahmebereich (18a; 18b) in einer von dem Grundkörper (14a; 14b) abgewandten Richtung begrenzt.
Verwendung eines Plattenwärmeübertragers nach Anspruch 9 in einem Brennstoffzellensystem (46a), insbesondere einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem.