DE102022122518A1

DE102022122518A1 - Heat exchanger

Info

Publication number: DE102022122518A1
Application number: DE102022122518.6A
Authority: DE
Inventors: Steffen Grohmann; Malte Dirks; Friederike Boehm; Thomas GIETZELT; Georg Rabsch; Jonas Amsberg
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2022-09-06
Filing date: 2022-09-06
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024052110A1

Abstract

Wärmeübertrager mit einer ersten Hochdruck-Kanalgruppe (7) und einer zweiten Niederdruck-Kanalgruppe (6) mit jeweils einer Vielzahl von Kanälen (3), wobei die Kanäle (3) je Kanalgruppe in jeweils eigenen Ebenen angeordnet, die Kanalgruppen (6, 7) voneinander fluidseitig getrennt in jeweils eigenen Folien eingebracht und diese zu einem Folienstapel zusammengesetzt sind, wobei die Kanäle der ersten Hochdruck-Kanalgruppe ebenenweise durch Rillen (2) in ersten Folienpaaren (9) mit zwei aufeinanderliegenden ersten Folien eingearbeitet sind, wobei sich die Rillen ausgehend von einer Auflagefläche der beiden ersten Folien aufeinander in die mindestens eine erste Folie erstrecken, aber nicht durchdringen, die Kanäle der zweiten Niederdruck-Kanalgruppe ebenenweise jeweils durch Durchbrüche (11) mit dazwischen angeordneten Stegen in jeweils einer zweiten Folie (10) gebildet sind und beidseitig jeweils durch eine erste Folie (8) eines ersten Folienpaars (9) oder eine Abschlussfolie abgedeckt sind, sowie der Folienstapel eine abwechselnde Stapelung von zweiten Folien (10) und erstem Folienpaar (9) umfasst.Heat exchanger with a first high-pressure channel group (7) and a second low-pressure channel group (6), each with a plurality of channels (3), the channels (3) being arranged in their own levels for each channel group, the channel groups (6, 7) separated from each other on the fluid side in each of their own foils and these are put together to form a foil stack, the channels of the first high-pressure channel group being incorporated level by grooves (2) in first foil pairs (9) with two first foils lying one on top of the other, the grooves starting from a contact surface of the two first foils on top of each other into which at least one first foil extends, but does not penetrate, the channels of the second low-pressure channel group are formed at each level by openings (11) with webs arranged between them in a second foil (10) and on both sides are covered by a first film (8) of a first pair of films (9) or a final film, and the film stack comprises an alternating stacking of second films (10) and first pair of films (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, vorzugsweise einen Mikrowärmeübertrager mit einer ersten Hochdruck-Kanalgruppe und einer zweiten Niederdruck-Kanalgruppe mit jeweils einer Vielzahl von Kanälen in einem Folienstapel gemäß dem ersten Patentanspruch. Der Wärmeübertrager ist vorzugsweise ein Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrommikrowärmeübertrager.The invention relates to a heat exchanger, preferably a micro heat exchanger, with a first high-pressure channel group and a second low-pressure channel group, each with a plurality of channels in a foil stack according to the first claim. The heat exchanger is preferably a co-current, counter-current or cross-current micro heat exchanger.

Wärmeübertrager der eingangs genannten Art sind in der Technik allgemein bekannt. Sie weisen einen Wärmeübertragungsbereich auf, in dem ein Fluidstrom in einer Kanalgruppe durch einen Fluidstrom in einer anderen Kanalgruppe temperiert wird. Jede der Kanalgruppen weist eine Vielzahl vorzugsweise über ihre gesamte Länge parallel verschalteter und vorzugsweise auch parallel verlaufender Kanäle auf. Vorzugsweise sind die Kanäle je Kanalgruppe parallel zueinander und vorzugsweise geradlinig auf einer Ebene angeordnet. Üblicherweise sind die beiden Kanalgruppen mit oder ohne Zwischenlagen ohne Kanäle ebenenweise abwechselnd angeordnet, d.h. eine Kühlung oder Aufheizung des Fluidstroms erfolgt durch Wärmeübertragung an den überlappenden Bereichen der beiden Kanalgruppen zueinander, die damit die Wärmeübertragungsbereiche bilden. Die Gesamtheit der Kanäle einer Kanalgruppe bildet für sich vorzugsweise eine Passage durch den Wärmeübertrager.Heat exchangers of the type mentioned at the beginning are generally known in technology. They have a heat transfer area in which a fluid flow in one channel group is tempered by a fluid flow in another channel group. Each of the channel groups has a plurality of channels which are preferably connected in parallel over their entire length and preferably also run in parallel. The channels per channel group are preferably arranged parallel to one another and preferably in a straight line on one plane. Usually, the two channel groups with or without intermediate layers are arranged alternately in levels without channels, i.e. cooling or heating of the fluid flow takes place through heat transfer to one another at the overlapping areas of the two channel groups, which thus form the heat transfer areas. The entirety of the channels of a channel group preferably forms a passage through the heat exchanger.

In der DE 37 09 278 C2 werden beispielhaft Mikrowärmeübertrager sowie deren Herstellung offenbart, bei dem die Mikrokanäle ebenenweise als eine Vielzahl paralleler Rillen einseitig in Metallfolien eingearbeitet sind. Die Folien werden anschliessend aufeinandergelegt und durch Kleben, Löten oder Schweißen miteinander verbunden, wobei die mit Rillen strukturierten Folienseiten jeweils an einer der benachbarten Folien anliegen. Eine Ausgestaltung sieht dabei vor, die Rillen durch eine unstrukturierte Folienseite abzudecken. Alternative Ausgestaltungen sehen Mikrokanäle vor, deren Querschnitte sich aus Rillen in zwei benachbarte Folien erstrecken, wobei die jeweils außenliegenden Folienoberflächen dieser beiden Folien unstrukturiert verbleiben. Offenbart werden Wärmeübertrager mit einer Parallelausrichtung aller Mikrokanäle, d.h. als Gleich- oder Gegenstromwärmeübertrager, als auch Kreuzstrommikrowärmeübertrager, mit sich kreuzweise nach Kanalgruppe abwechselnd um bevorzugte 90° verdreht gestapelten Folien. Die Rillen und Kanäle der offenbarten Mikrowärmeübertrager sind jedoch für alle Kanalgruppen identisch.In the DE 37 09 278 C2 For example, micro heat exchangers and their production are disclosed, in which the micro channels are incorporated into metal foils on one side as a large number of parallel grooves. The films are then placed on top of each other and connected to one another by gluing, soldering or welding, with the film sides structured with grooves each resting against one of the neighboring films. One embodiment provides for the grooves to be covered by an unstructured film side. Alternative embodiments provide for microchannels whose cross sections extend from grooves into two adjacent films, with the outer film surfaces of these two films remaining unstructured. Disclosed are heat exchangers with a parallel alignment of all microchannels, ie as cocurrent or countercurrent heat exchangers, as well as cross-current microheat exchangers, with foils stacked crosswise according to channel group, alternately twisted by a preferred 90 °. However, the grooves and channels of the disclosed micro heat exchangers are identical for all channel groups.

Eine der in DE 37 09 278 C2 offenbarten Ausgestaltungen sieht einen Mikrostrukturwärmeübertrager vor, der aus einem Stapel einseitig strukturierter diffusionsverschweißter Folien besteht. In den Folien sind jeweils mehrere Mikrokanäle eingearbeitet, die etwa eine halbrunde Form aufweisen. Durch eine Face-to-Face Stapelung zweier spiegelbildlich strukturierter Folien können so nahezu runde Strömungsquerschnitte realisiert werden. Eine weitere Ausgestaltung sieht eine monodirektionale Stapelreihenfolge vor, wobei die halbrunden in die Folien eingearbeiteten Kanalquerschnitte jeweils in einer Richtung offen sind und durch eine glatte unstrukturierte Oberfläche der benachbarten Folie abgedeckt werden.One of the in DE 37 09 278 C2 The disclosed embodiments provide a microstructured heat exchanger which consists of a stack of diffusion-welded foils structured on one side. Several microchannels, which have an approximately semicircular shape, are incorporated into each film. By stacking two mirror-inverted foils face-to-face, almost round flow cross-sections can be achieved. A further embodiment provides for a monodirectional stacking sequence, whereby the semicircular channel cross sections incorporated into the films are each open in one direction and are covered by a smooth, unstructured surface of the adjacent film.

Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Wärmeübertrager vorzuschlagen, der sich insbesondere für einen verbesserten Wärmeübergang verschiedener Volumenströme und Drücke in den Kanalgruppen eignet.Proceeding from this, one object of the invention is to propose a heat exchanger which is particularly suitable for improved heat transfer of different volume flows and pressures in the channel groups.

Die Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.The task is solved by a heat exchanger with the features of claim 1. Subclaims reflect advantageous configurations.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Wärmeübertrager mit zwei Kanalgruppen, einer ersten Hochdruck-Kanalgruppe und einer zweiten Niederdruck-Kanalgruppe, mit jeweils einer Vielzahl von Kanälen zwischen jeweils einem Einlauf- und einem Auslaufbereich vorgeschlagen. Folglich bilden die Kanäle eine fluidisch durchgängige Verbindung zwischen den Einlauf- und Auslaufbereichen, wobei jene jeweils nur mit einer der beiden Kanalgruppen verbunden sind. Die Kanäle je Kanalgruppe sind dabei in jeweils eigenen Ebenen angeordnet. Die Kanalgruppen sind voneinander fluidseitig getrennt in jeweils eigenen Folien eingebracht. Die Folien sind zu einem Folienstapel zusammengesetzt.To solve the problem, a heat exchanger with two channel groups, a first high-pressure channel group and a second low-pressure channel group, each with a large number of channels between an inlet and an outlet area is proposed. Consequently, the channels form a fluidly continuous connection between the inlet and outlet areas, whereby they are only connected to one of the two channel groups. The channels per channel group are arranged in their own levels. The channel groups are separated from each other on the fluid side and are each placed in their own foils. The foils are assembled into a stack of foils.

Die Begriffe der Niederdruck- und Hochdruck-Kanalgruppe beschreiben jeweils eine erste und eine zweite Kanalgruppe, die einschließlich der jeweils zugehörigen Einlauf- und Auslaufbereiche fluidisch voneinander getrennt sind. Die Niederdruck-Kanalgruppe ist dabei lediglich nur für einen geringeren Druck ausgelegt als die Hochdruck-Kanalgruppe, und zwar grundsätzlich unabhängig vom absoluten Druck.The terms low-pressure and high-pressure channel groups each describe a first and a second channel group, which are fluidically separated from one another, including the associated inlet and outlet areas. The low-pressure channel group is only designed for a lower pressure than the high-pressure channel group, basically independent of the absolute pressure.

Ein Einlaufbereich ist einer Kanalgruppe oder einem Teil einer Kanalgruppe fluidisch vorgeschaltetes Volumen. Er dient als Verteilerstruktur für ein Fluid von einer in das Volumen einmündenden Fluidquelle (Einlauf) in die vorgenannte Kanalgruppe oder dem Teil der Kanalgruppe.An inlet area is a volume fluidically upstream of a channel group or part of a channel group. It serves as a distribution structure for a fluid from a fluid source (inlet) opening into the volume into the aforementioned channel group or the part of the channel group.

Entsprechend zu den Einlaufbereichen ist ein Auslaufbereich einer Kanalgruppe oder einem Teil einer Kanalgruppe fluidisch nachgeschaltetes Volumen, in das die Kanäle ausmünden und in eine Fluidsenke (Auslauf) weitergeleitet werden.Corresponding to the inlet areas, an outlet area of a channel group or part of a channel group is a fluidically downstream volume into which the channels open out and are forwarded into a fluid sink (outlet).

Pro Kanalgruppe sind jeweils mehrere Einlauf- und Auslaufbereiche vorgesehen, vorzugsweise ebenenweise jeweils einen Einlauf- und Auslaufbereich.Several inlet and outlet areas are provided for each channel group, preferably one inlet and outlet area at each level.

Wesentlich ist, dass die Kanäle der ersten Kanalgruppe, der Hochdruck-Kanalgruppe, ebenenweise als Rillen in jeweils mindestens eine erste Folie eines erstes Folienpaars mit zwei flächig aufeinanderliegenden ersten Folien eingearbeitet sind, wobei sich die Rillen ausgehend von einer Auflagefläche der beiden ersten Folien aufeinander in die mindestens eine, vorzugsweise beide ersten Folien erstrecken, aber die beiden ersten Folien nicht durchdringen. Vorzugsweise weist jede der Rillen jeweils einen halbrunden Querschnitt in beide ersten Folien auf, sodass sich die Rillen beim aneinandersetzen jener zu einem Kanal mit runden Strömungsquerschnitt zusammensetzen. Eine solche Ausgestaltung weist einen relativ hohen Anteil an Folienmaterial um die Kanäle auf, der wiederum in vorteilhafter Weise eine hohe Formstabilität des Folienpaars auch bei erhöhten Drücken sicherstellt. Dies gilt insbesondere für den vorgenannten runden Strömungsquerschnitt, der zwar eine geringere auf das Kanalvolumen bezogene spezifische Wandungsoberfläche für eine Wärmeübertragung aufweist, aber ein Maximum an Formstabilität erwarten lässt.It is essential that the channels of the first channel group, the high-pressure channel group, are incorporated level by level as grooves in at least one first film of a first pair of films with two first films lying flat on top of each other, the grooves extending from a contact surface of the two first films on top of each other which extend at least one, preferably both first films, but do not penetrate the first two films. Preferably, each of the grooves has a semicircular cross section in both first foils, so that when the grooves are placed together they form a channel with a round flow cross section. Such a configuration has a relatively high proportion of film material around the channels, which in turn advantageously ensures high dimensional stability of the film pair even at increased pressures. This applies in particular to the aforementioned round flow cross section, which, although it has a smaller specific wall surface for heat transfer based on the channel volume, can be expected to provide maximum dimensional stability.

Wesentlich ist auch, dass die Kanäle der zweiten Niederdruck-Kanalgruppe ebenenweise jeweils durch Durchbrüche mit dazwischen angeordneten Stegen, eingearbeitet in jeweils einer, vorzugsweise ebenenweise nur einer zweiten Folie gebildet werden. Die Kanäle durchdringen dabei die Folien in voller Folienstärke und bilden in den Folien beidseitig zunächst offene Schlitze, die beim Fügen des Folienstapels beidseitig jeweils durch eine erste Folie eines ersten Folienpaars oder eine Abschlussfolie abgedeckt werden. Diese durchbrochenen Folien stellen somit einen Rahmen um die Schlitze dar, wobei die einzelnen Kanäle durch die Schlitze gebildet werden und in einer Ebene durch Stege voneinander getrennt sind. Eine solche Ausgestaltung zeichnet sich durch einen geringeren Anteil an Folienmaterial um die Kanäle als bei der Hochdruck-Kanalgruppe aus. Dies begünstigt die Realisierung möglichst großer Strömungsquerschnitte einerseits und aufgrund der Einbindung gleich beider angrenzenden Folien in die Kanalwandungen kurze Wärmeübertragungswege und große spezifische Wärmeübertragungsflächen (im Verhältnis zum Kanalvolumen). Vorzugsweise weist die zweite Kanalgruppe einen Durchströmungsquerschnitt auf, der den Querschnitt der Stege zwischen den Kanälen um mindestens das Zweifache, weiter bevorzugt um mindestens das Fünffache oder Zehnfache übersteigt.It is also important that the channels of the second low-pressure channel group are formed on a level-by-level basis by openings with webs arranged between them, each incorporated into one, preferably only one, second film on a level-level basis. The channels penetrate the films to their full thickness and form initially open slots in the films on both sides, which are covered on both sides by a first film of a first pair of films or a closing film when the film stack is joined. These perforated films thus represent a frame around the slots, with the individual channels being formed by the slots and being separated from one another in one plane by webs. Such a design is characterized by a lower proportion of film material around the channels than in the high-pressure channel group. On the one hand, this promotes the realization of the largest possible flow cross sections and, due to the integration of both adjacent foils into the channel walls, short heat transfer paths and large specific heat transfer surfaces (in relation to the channel volume). The second channel group preferably has a flow cross section which exceeds the cross section of the webs between the channels by at least twice, more preferably by at least five or ten times.

Wesentlich ist ferner, dass der Folienstapel eine abwechselnde Stapelung von zweiten Folien und erstem Folienpaar umfasst, wobei die oberste und/oder unterste Lage des Folienstapels durch eine Abschlussfolie oder ein erstes Folienpaar gebildet wird. Vorzugsweise liegen bei der Stapelung keine zwei zweiten Folien und keine zwei ersten Folienpaare aufeinander.It is also essential that the film stack comprises an alternating stacking of second films and first pair of films, with the top and/or bottom layer of the film stack being formed by a final film or a first pair of films. Preferably, no two second films and no two first pairs of films lie on top of each other when stacking.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der ersten Hochdruck-Kanalgruppe sieht deren ebenenweise Einarbeitung durch Rillen in beiden ersten Folien des ersten Folienpaars vor, wobei sich die Rillen ausgehend von der Auflagefläche der beiden ersten Folien aufeinander spiegelbildlich in beide ersten Folien erstrecken und weiter bevorzugt runde Kanalquerschnitte mit den vorgenannten Vorteilen bilden.A preferred embodiment of the first high-pressure channel group provides for its level-by-level incorporation through grooves in both first foils of the first foil pair, the grooves extending from the contact surface of the first two foils to one another in a mirror image into both first foils and more preferably round channel cross-sections with the aforementioned form advantages.

Vorzugsweise weist jeder der ersten und zweiten Ebenen eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten, durchgängigen und voneinander fluidseitig getrennten Kanäle auf, vorteilhaft für eine hohe Durchdringbarkeit des Wärmeübertragervolumens mit den beiden Kanalgruppen. Dies gilt insbesondere auch oder alternativ, wenn die Kanäle je Kanalgruppe optional parallel angeordnet und verschaltet sind.Preferably, each of the first and second levels has a plurality of channels arranged next to one another, continuous and separated from one another on the fluid side, advantageous for high penetrability of the heat exchanger volume with the two channel groups. This applies in particular or alternatively if the channels per channel group are optionally arranged and connected in parallel.

Die Kanäle je Kanalgruppe weisen jeweils bevorzugt eine einheitliche Länge und/oder über deren gesamte Kanallänge jeweils einen gleichbleibenden Durchströmungsquerschnitt auf, womit in allen Kanälen einer Kanalgruppe eine möglichst gleiche Strömung und Wärmeübertragung realisierbar ist.The channels per channel group each preferably have a uniform length and/or a constant flow cross section over their entire channel length, which means that the same flow and heat transfer can be achieved in all channels of a channel group.

Der vorgeschlagene Wärmeübertrager ist mit den vorgenannten Merkmalen grundsätzlich sowohl als Gleich- oder Gegenstromwärmeübertrager, bei dem alle Kanäle beider Kanalgruppen zumindest abschnittsweise parallel zueinander unter Ausbildung eines Gleich- oder Gegenstromwärmeübertragers angeordnet sind, als auch als Kreuzstromwärmeübertrager, bei dem die Kanäle der ersten Hochdruck-Kanalgruppe und die der zweiten Niederdruck-Kanalgruppe zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig jeweils windschief zueinander angeordnet sind, sich somit unter Bildung eines Kreuzstromwärmeübertragers kreuzen, konzipierbar und ausführbar.With the aforementioned features, the proposed heat exchanger is basically both a cocurrent or countercurrent heat exchanger, in which all channels of both channel groups are arranged at least in sections parallel to one another to form a cocurrent or countercurrent heat exchanger, and as a crossflow heat exchanger, in which the channels of the first high-pressure channel group and those of the second low-pressure channel group are arranged at least in sections, preferably completely, at an angle to one another, thus crossing each other to form a cross-flow heat exchanger, can be designed and implemented.

Die Einlauf- und Auslaufbereiche sind jeweils vorzugsweise ebenenweise am Ende der Kanäle in der jeweiligen Ebene angeordnet. Die Kanäle einer Ebene sind dabei vorzugsweise nur an einen und den gleichen Einlaufbereich und einen und den gleichen Auslaufbereich angeschlossen. Sie sind hierzu bevorzugt ebenfalls in dieser Ebene angeordnet und weiter bevorzugt mit den Einlauf- und Auslaufbereichen der gleichen Kanalgruppe auf anderen Ebenen über den jeweiligen Einlaufbereich und den jeweiligen Auslaufbereich fluidisch über eine Verbindungsleitung verbunden.The inlet and outlet areas are each preferably arranged in levels at the end of the channels in the respective level. The channels of a level are preferably only connected to one and the same inlet area and one and the same outlet area. For this purpose, they are preferably also arranged in this level and more preferably with the inlet and outlet areas of the same channel group on other levels fluidly connected via a connecting line via the respective inlet area and the respective outlet area.

Es wird als ein besonders bevorzugter konstruktiver Aufbau vorgeschlagen, die Einlauf- und die Auslaufbereiche der ersten und zweiten Kanalgruppe durch Vertiefungen oder Rillen in jeweils mindestens einer ersten Folie des jeweiligen ersten Folienpaars bzw. durch Durchbrüche, Rillen oder Vertiefungen in die jeweiligen zweiten Folien vorzusehen.As a particularly preferred structural design, it is proposed to provide the inlet and outlet areas of the first and second channel groups through depressions or grooves in at least one first film of the respective first pair of films or through openings, grooves or depressions in the respective second films.

Vorzugsweise weisen dabei alle Ebenen, d.h. alle Folien mit Kanälen zwischen jeweils einem Einlauf- und Auslaufbereiche je Kanalgruppe, identische Abmessungen und Materialien auf. Sie sind dabei vorzugsweise Kanalgruppenweise identisch; sie führen damit Kanalgruppenweise jeweils auch zu identischen Strömungsverhältnissen in den Ebenen.Preferably, all levels, i.e. all films with channels between an inlet and outlet area per channel group, have identical dimensions and materials. They are preferably identical in channel groups; They therefore lead to identical flow conditions in the planes in groups of channels.

Bevorzugt sind die Einlauf- und die Auslaufbereiche der ersten und zweiten Kanalgruppe jeweils separat fluidseitig so miteinander verbunden, dass sie jeweils einen gemeinsamen Einlauf und jeweils einen gemeinsamen Auslauf für die Hochdruck-Kanalgruppe und die Niederdruck-Kanalgruppe des Wärmeübertragers bilden.Preferably, the inlet and outlet regions of the first and second channel groups are each separately connected to one another on the fluid side in such a way that they each form a common inlet and a common outlet for the high-pressure channel group and the low-pressure channel group of the heat exchanger.

Der vorgeschlagene Wärmeübertrager ist vorzugsweise ein Mikrowärmeübertrager, der sich im Rahmen der Erfindung dadurch kennzeichnet, dass die Kanäle beider Kanalgruppen als Mikrokanäle von zwei Mikrokanalgruppen als Rillen oder Foliendurchbrüche mit engsten Durchströmungsquerschnitten zwischen 0,001 mm² oder 0,01 mm² und 10 mm² oder 1 mm² in bevorzugt Metallfolien eingearbeitet sind und diese Metallfolien zu einem Folienstapel vorzugsweise mittels Diffusionsverschweißung zusammengefügt sind. Die Folien selbst weisen dabei eine bevorzugte Stärke zwischen 0,25 und 5 mm, weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 mm auf.The proposed heat exchanger is preferably a micro heat exchanger, which is characterized in the context of the invention in that the channels of both channel groups are designed as microchannels of two microchannel groups as grooves or foil openings with the narrowest flow cross sections between 0.001 mm ² or 0.01 mm ² and 10 mm ² or 1 mm ² are preferably incorporated into metal foils and these metal foils are assembled into a foil stack, preferably by means of diffusion welding. The films themselves have a preferred thickness between 0.25 and 5 mm, more preferably between 0.5 and 1.5 mm.

Die Folien sind bei allen dargestellten Ausführungsformen vorzugsweise Metallfolien, vorzugsweise aus Edelstahl oder Kupfer. Wichtig ist, dass die eingesetzten Materialien sich chemisch inert zu dem die Kanäle durchströmenden Wärmeübertragungsfluid verhalten. Als Fluide kommt eine Vielzahl von Stoffen in Betracht, die vorzugsweise im flüssigen oder im gasförmigen oder im zweiphasigen Zustand (flüssig/gasförmig) vorliegen. Die Fluide können reine Stoffe oder Stoffgemische sein.In all embodiments shown, the foils are preferably metal foils, preferably made of stainless steel or copper. It is important that the materials used are chemically inert to the heat transfer fluid flowing through the channels. A variety of substances come into consideration as fluids, which are preferably present in a liquid or gaseous or two-phase state (liquid/gaseous). The fluids can be pure substances or mixtures of substances.

Die Erfindung löst die Aufgabe folglich mittels unterschiedlicher Strömungsquerschnitte von Hochdruck- und Niederdruck-Kanalgruppen zur Optimierung von Druckverlusten und Wärmeübergang in bevorzugt mikrostrukturierten Wärmeübertragern, insbesondere indem die Niederdruck-Kanalgruppen in durchbrochenen Folien (sog. Niederdruck-Rahmen, zweite Folien) eingearbeitet sind und einseitig, vorzugsweise beidseitig unmittelbar an die benachbarten (ersten) Folien der Hochdruck-Kanalgruppe angrenzen. Die Ausarbeitung der zweiten Folien mit den Niederdruck-Kanalgruppen kann z.B. durch das Ausstanzen von Blechen, Laserschneiden oder Fräsen erfolgen.The invention therefore solves the problem by means of different flow cross sections of high-pressure and low-pressure channel groups to optimize pressure losses and heat transfer in preferably microstructured heat exchangers, in particular by incorporating the low-pressure channel groups into perforated foils (so-called low-pressure frames, second foils) and on one side , preferably directly adjacent to the adjacent (first) foils of the high-pressure channel group on both sides. The second foils with the low-pressure channel groups can be developed, for example, by punching out sheets, laser cutting or milling.

Die durch die benachbarten Folien abgeschlossene Niederdruck-Strömungswege ergeben sich immer nur durch die Kombination von Niederdruck-Rahmen mit jeweils zwei Face-to-Face gestapelten Folien (zwei erste Folien oder eine erste Folie und eine Abschlussfolie), die nach außen zu den Niederdruck-Rahmen hin über glatte Fügeflächen für das Diffusionsschweißen verfügen und die im Inneren aus den geätzten Kanälen die Hochdruck-Strömungswege bilden.The low-pressure flow paths closed by the adjacent foils always only result from the combination of low-pressure frames with two foils stacked face-to-face (two first foils or a first foil and a final foil), which face outwards to the low-pressure The frame has smooth joining surfaces for diffusion welding and which form the high-pressure flow paths from the etched channels inside.

Ein Wärmeübertrager mit den vorgenannten Niederdruck-Rahmen bietet gegenüber herkömmlichen Wärmeübertragern folgende Vorteile:

1) Unabhängig von der Stapelreihenfolge bei herkömmlichen Mikrostrukturwärmeübertragern entfällt in der vorgenannten Hochdruck-/Niederdruck-Sequenz immer eine Folienwand, womit der thermische Widerstand verringert und der Wärmetransport zwischen den Hochdruck- und Niederdruck-Medien verbessert wird.
2) Durch eine reduzierte Materialquerschnittsfläche des Niederdruck-Rahmens gegenüber herkömmlichen Wärmeübertragern wird zudem die Längswärmeleitung in den Wänden des Wärmeübertragers in Richtung der Kanäle verringert, was insbesondere bei Anwendungen mit großen Temperaturgradienten in Strömungsrichtung, z.B. in der Kälte- und Kryotechnik, von Vorteil ist.
3) Durch die Stärke der zweiten Folien und damit der Höhe des Niederdruck-Rahmens ist bei einer vorgegebener Kanalbreite und -anzahl der Niederdruck-Strömungsquerschnitt so anpassbar und damit der niederdruckseitige Druckverlust minimierbar und die Gesamtenergieeffizienz des Folien-Rahmen Wärmeübertragers maximierbar. Die Stärke der zweiten Folien und damit die Rahmenhöhe ist dabei bevorzugt kleiner oder gleich 5 mm und/oder kleiner oder gleich einem Faktor 2-3 der Stärke (d.h. zwei- bis dreifache Stärke) des ersten Folienpaars für die Hochdruck-Kanäle, weiter bevorzugt kleiner oder gleich einem Faktor 5-10 der Stärke des ersten Folienpaars für die Hochdruck-Kanäle. Die Mindestrahmenhöhe ist vorzugsweise gleich der Stärke des ersten Folienpaares.
4) Die bevorzugt parallelen Kanäle im Niederdruck-Rahmen sind durch Stege voneinander getrennt, deren Breite und deren Abstand insbesondere durch fertigungstechnische Anforderungen wie z.B. durch das bevorzugte Diffusionsschweißen bestimmt werden. Da die Stege mit den angrenzenden Rückwänden der ersten Hochdruck-Folien z.B. diffusionsverschweißt werden, tragen deren Oberflächen unmittelbar zur Wärmeübertragung zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Medium bei.
5) Gegenüber herkömmlichen Mikrostrukturwärmeübertragern, deren Design auf der Stapelung von geätzten Folien basiert, verfügen die vorgeschlagenen Wärmeübertrager mit Niederdruck-Rahmen über ein prinzipiell verbessertes Wärmeübertragungsverhalten und gleichzeitig über einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der deutlich unterschiedliche Druckverluste entlang der Strömungswege ermöglicht und somit die energetische Gesamtoptimierung des mikrostrukturierten Wärmeübertragers bei höchstmöglicher Leistungsdichte erlaubt.
6) Wie klassische Mikrostrukturwärmeübertrager verfügen Folien-Rahmen Wärmeübertrager über den Folienstapel ein im Grundsatz monolithisches Design, d.h. die ersten und zweiten Folien und damit der gesamte Wärmeübertrager besteht vorzugsweise nur aus einem einzigen Material. Dadurch werden Thermospannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten vermieden, was insbesondere in Tieftemperaturanwendungen mit großen Temperaturgradienten von Vorteil ist.
7) Durch die niedrigen hydraulischen Durchmesser mikrostrukturierter Wärmeübertrager mit den vorgenannten Folien-Rahmen sind prinzipiell höhere Betriebsdrücke als bei herkömmlichen Plattenwärmeübertragern möglich. Dadurch wären z.B. bei der Wasserstoffverflüssigung höhere Anlagendrücke möglich, was die Prozesseffizienz deutlich beeinflusst.

A heat exchanger with the aforementioned low-pressure frame offers the following advantages over conventional heat exchangers:

1) Regardless of the stacking sequence in conventional microstructure heat exchangers, a foil wall is always eliminated in the aforementioned high-pressure/low-pressure sequence, which reduces the thermal resistance and improves the heat transport between the high-pressure and low-pressure media.
2) Due to a reduced material cross-sectional area of the low-pressure frame compared to conventional heat exchangers, the longitudinal heat conduction in the walls of the heat exchanger in the direction of the channels is also reduced, which is particularly advantageous in applications with large temperature gradients in the flow direction, for example in refrigeration and cryogenics.
3) Due to the thickness of the second foils and thus the height of the low-pressure frame, the low-pressure flow cross section can be adjusted for a given channel width and number and thus the low-pressure side pressure loss can be minimized and the overall energy efficiency of the foil-frame heat exchanger can be maximized. The thickness of the second foils and thus the frame height is preferably less than or equal to 5 mm and/or less than or equal to a factor of 2-3 of the thickness (ie two to three times the thickness) of the first pair of foils for the high-pressure channels, more preferably smaller or equal to a factor of 5-10 of the thickness of the first pair of foils for the high-pressure channels. The minimum frame height is preferably equal to the thickness of the first pair of films.
4) The preferably parallel channels in the low-pressure frame are separated from one another by webs, the width and spacing of which are determined in particular by manufacturing requirements such as preferred diffusion welding. Since the webs are, for example, diffusion welded to the adjacent rear walls of the first high-pressure foils, their surfaces contribute directly to the heat transfer between the high-pressure and low-pressure medium.
5) Compared to conventional microstructure heat exchangers, whose design is based on the stacking of etched foils, the proposed heat exchangers with low-pressure frames have a fundamentally improved heat transfer behavior and at the same time an additional degree of freedom, which enables significantly different pressure losses along the flow paths and thus the overall energetic optimization of the microstructured heat exchanger with the highest possible power density.
6) Like classic microstructure heat exchangers, foil frame heat exchangers have a basically monolithic design via the foil stack, ie the first and second foils and thus the entire heat exchanger preferably only consist of a single material. This avoids thermal stresses caused by different thermal expansion coefficients, which is particularly advantageous in low-temperature applications with large temperature gradients.
7) Due to the low hydraulic diameters of microstructured heat exchangers with the aforementioned foil frames, higher operating pressures are possible in principle than with conventional plate heat exchangers. This would allow higher system pressures, for example in hydrogen liquefaction, which would have a significant impact on process efficiency.

Die vorgeschlagenen Wärmeübertrager eignen sich insbesondere für verfahrenstechnische Anwendungen mit kompressiblen Medien, bei denen Druckverluste einen wesentlichen Einfluss auf die Prozesseffizienz haben. Dies ist insbesondere im Bereich niedriger Absolutdrücke der Fall. Ein großes Anwendungsgebiet bieten insbesondere Verfahren in der Kälte- und Kryotechnik.The proposed heat exchangers are particularly suitable for process engineering applications with compressible media where pressure losses have a significant influence on process efficiency. This is particularly the case in the area of low absolute pressures. Processes in refrigeration and cryogenics in particular offer a large area of application.

Wärmeübertrager haben einen wesentlichen Einfluss auf die Energieeffizienz von verfahrenstechnischen Anwendungen. Die Energieeffizienz von Wärmeübertragern wird zumeist durch die Temperaturdifferenzen der Wärmeübertragung bestimmt. Bei kompressiblen Medien und niedrigen Drücken spielt aber auch der Druckverlust eine wichtige Rolle. Allgemein kann durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten der Wärmeübergang verbessert werden; infolge der damit zunehmenden Druckverluste ergibt sich jedoch immer ein energetisches Optimierungsproblem.Heat exchangers have a significant impact on the energy efficiency of process engineering applications. The energy efficiency of heat exchangers is mostly determined by the temperature differences of the heat transfer. However, with compressible media and low pressures, pressure loss also plays an important role. In general, heat transfer can be improved by increasing the flow velocities; However, as a result of the resulting increasing pressure losses, an energy optimization problem always arises.

Im mittleren und kleinen Leistungsbereich kommen in vielen Anwendungen herkömmliche Plattenwärmeübertrager mit einer Leistungsdichte im Bereich von ca. 100-1000 m²/m³ zum Einsatz. Durch mikrostrukturierte Wärmeübertrager nach dem Stand der Technik lässt sich die Leistungsdichte weiter auf ca. 1000-10.000 m²/m³ erhöhen. Diese Technologie, die z.B. in der Kälte- und Kryotechnik ein großes Anwendungspotential hat, impliziert aber etwa gleiche Strömungsquerschnitte in den Fluidströmen, deren Verhältnis nur in Grenzen beeinflussbar ist, z.B. durch die Anzahl und Stapelfolge der Folien in den Strömungspassagen. Die energetische Optimierung vieler Wärmeübertrager erfordert aber insbesondere die Begrenzung der Druckverluste auf der Niederdruckseite. In manchen Anwendungen sind prozessbedingt nur wenige Millibar Druckverlust zulässig, während auf der Hochdruckseite oftmals wesentlich höhere Druckverluste tolerabel sind. Eine signifikante Verbesserung wird durch die Erfindung dadurch erzielt, dass der Strömungsquerschnitt der zweiten Niederdruck-Kanalgruppe so an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden kann, dass bei verbessertem Wärmetransport gleichzeitig Druckverluste in den Strömungspassagen realisierbar sind, die sich um ein bis zwei Größenordnungen unterscheiden können.In the medium and low power range, conventional plate heat exchangers with a power density in the range of approx. 100-1000 m ² /m ³ are used in many applications. Using state-of-the-art microstructured heat exchangers, the power density can be further increased to approximately 1000-10,000 m ² /m ³ . This technology, which has great application potential in refrigeration and cryogenic technology, for example, implies approximately equal flow cross sections in the fluid streams, the ratio of which can only be influenced to a limited extent, for example by the number and stacking sequence of the foils in the flow passages. However, the energetic optimization of many heat exchangers requires, in particular, the limitation of pressure losses on the low-pressure side. In some applications, only a few millibar pressure losses are permissible due to the process, while significantly higher pressure losses are often tolerable on the high-pressure side. A significant improvement is achieved by the invention in that the flow cross section of the second low-pressure channel group can be adapted to the requirements of the application in such a way that, with improved heat transport, pressure losses in the flow passages can be achieved at the same time, which can differ by one to two orders of magnitude.

Die Vorteile von Wärmeübertragern mit den zuvor beschriebenen Folien-Rahmen kommen somit insbesondere in Anwendungen zum Tragen, in denen eine hohe Energiedichte der Wärmeübertragung benötigt wird und in denen sich die zulässigen Druckverluste in den Strömungspassagen stark unterscheiden. Druckverluste wirken sich insbesondere bei niedrigen Betriebsdrücken (einschließlich dem Betrieb im Unterdruck) durch die Zunahme der Entropie bei der Expansion kompressibler Medien negativ auf die Prozesseffizienz aus.The advantages of heat exchangers with the foil frames described above are particularly important in applications in which a high energy density of heat transfer is required and in which the permissible pressure losses in the flow passages differ greatly. Pressure losses have a negative impact on process efficiency, particularly at low operating pressures (including operation under negative pressure), due to the increase in entropy during the expansion of compressible media.

Durch den mit der Rahmenhöhe zusätzlichen Freiheitsgrad für das hydraulische Design der Niederdruck-Kanalgruppe und den Wegfall von Folienwänden ergeben sich neue Möglichkeiten für die thermohydraulische Optimierung mikrostrukturierter Wärmeübertrager. Damit wird auch eine Erhöhung der Energiedichte und die energetische Optimierung von Wärmeübertragern in einer Vielzahl von Anlagenkonzepten und Anwendungen ermöglicht, insbesondere in der Kälte- und Kryotechnik. In der Kältetechnik sind auf Grund der großen Stückzahlen schon geringe energetische Verbesserungen von großer ökonomischer und ökologischer Bedeutung.The additional degree of freedom associated with the frame height for the hydraulic design of the low-pressure channel group and the elimination of foil walls result in new possibilities for the thermo-hydraulic optimization of microstructured heat exchangers. This also enables an increase in energy density and the energetic optimization of heat exchangers in a variety of system concepts and applications, especially in refrigeration and cryogenics. In refrigeration technology, even small energy improvements are of great economic and ecological importance due to the large quantities.

Mit den vorgeschlagenen Wärmeübertragern sind darüber hinaus neue Anlagekonzepte denkbar, die bisher technisch nicht realisierbar sind. Beispielhaft und nicht abschließend seien hier Verwendungen für gekühlte Stromleiter, in kompakten Wärmeübertragungssystemen, in Ultratiefkühlgeräten oder in Wasserstoff-Verflüssigern und Helium-Kälteanlagen genannt.With the proposed heat exchangers, new system concepts are also conceivable that have not yet been technically feasible. By way of example and not exhaustively, uses for cooled power conductors, in compact heat transfer systems, in ultra-low temperature freezers or in hydrogen condensers and helium refrigeration systems are mentioned here.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert. Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden. Es zeigen

1a bis c schematische Querschnittansichten von herkömmlichen Gleich- und/oder Gegenstromwärmeübertragern mit zwei Kanalfraktionen als Folienstapel (Stand er Technik),
2a und b schematische Schnittansichten von Gleich- und/ oder Gegenstromwärmeübertragern mit zwei modifizierten Kanalfraktionen,
3a bis d mehrere Detailansichten einer zweiten Folie (Niederdruck-Rahmen) mit einer Anzahl parallel verlaufenden Kanäle mit Ein- und Auslässen,
4a bis c verschiedene Ausführungsbeispiele für einen Gegenstromwärmeübertrager für Verwendungen bevorzugt in der Kälte- und Kryotechnik sowie
5 eine schematische Explosionszeichnung des in 4a dargestellten Ausführungsbeispiels.

The invention is explained in more detail using exemplary embodiments, the following figures and descriptions. All features shown and their combinations are not only limited to these exemplary embodiments and their configurations. Rather, these should be viewed as combinable as representatives of other possible embodiments that are not explicitly shown as exemplary embodiments. Show it

1a to c are schematic cross-sectional views of conventional co-current and/or counter-current heat exchangers with two channel fractions as a foil stack (prior art),
2a and b schematic sectional views of co-current and/or counter-current heat exchangers with two modified channel fractions,
3a to d several detailed views of a second film (low-pressure frame) with a number of parallel channels with inlets and outlets,
4a to c various exemplary embodiments of a countercurrent heat exchanger for uses preferably in refrigeration and cryogenics as well
5 a schematic exploded view of the in 4a illustrated embodiment.

Herkömmliche Wärmeübertrager in Schichtstapelbauweise, wie sie in 1a bis c schematisch wiedergegeben sind, weisen in Folien 1 oder Platten einseitig eingearbeitete Rillen 2 auf, die im Stapel von einer benachbarten Folie mit oder ohne eingearbeiteten Rillen unter Bildung von Kanälen abgedeckt sind. Die Rillen durchdringen die Folien nicht. Herkömmlichen Wärmeübertragern gemein ist, dass jeder der Kanäle sich nur in zwei Schichten erstreckt oder sich in eine Schicht erstreckt und nur eine weitere Schicht tangiert. Die Wandung eines jeden Kanals wird im Querschnitt nur durch zwei benachbarte Schichten gebildet. Jede Folie weist zumindest eine Seite ohne eingearbeitete Rillen auf, vorzugsweise als plane Fläche. Die Kanäle sind ebenenweise zu Kanalgruppen zusammengefasst.Conventional heat exchangers in layer-stack construction, as shown in 1a to c are shown schematically, have grooves 2 incorporated on one side in films 1 or plates, which are covered in the stack by an adjacent film with or without incorporated grooves to form channels. The grooves do not penetrate the films. What conventional heat exchangers have in common is that each of the channels only extends into two layers or extends into one layer and only touches one other layer. The wall of each channel is formed in cross section by only two adjacent layers. Each film has at least one side without incorporated grooves, preferably as a flat surface. The channels are grouped into channel groups on a level-by-level basis.

1a zeigt eine Ausführung, bei der jeder Kanal 3 in zwei benachbarten Folien 2 eines Folienpaars (Ebene) durch jeweils zwei gegenüberliegende Rillen 2 mit halbrunden Querschnitten gebildet wird. Die halbrunden Querschnitte setzen sich zu runden Kanalquerschnitten zusammen. Die Folien eines Folienpaars sind vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, vorzugsweise aus Edelstahl oder Kupfer oder einem anderen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Korrosionsneigung gegenüber einem durch die Kanäle durchzuleitenden Wärmeübertragungsmedium. Zumindest die jeweils beiden Folien eines Folienpaars sind miteinander diffusionsverschweißt oder hartverlötet (Stoffschluss), womit sich dies in Verbindung mit einem runden Kanalquerschnitt besonders für eine Durchleitung von Medien mit hohen Drücken eignet. 1a shows an embodiment in which each channel 3 in two adjacent foils 2 of a foil pair (plane) is formed by two opposite grooves 2 with semicircular cross sections. The semicircular cross sections are composed of round channel cross sections. The foils of a foil pair are preferably made of a metal, preferably stainless steel or copper or another material with high thermal conductivity and low tendency to corrode compared to a heat transfer medium to be passed through the channels. At least the two foils of a foil pair are diffusion welded or brazed together (material connection), which, in conjunction with a round channel cross section, is particularly suitable for the passage of media with high pressures.

1b und c repräsentieren dagegen alternative Ausführungsbeispiele, bei denen jeder Kanal 3 nur durch eine Rille 2 in einer Folie 1 gebildet wird, wobei die Rillen jeweils ebenenweise durch eine glatte Fläche 4 einer benachbarten Folie abgedeckt werden. 1b and c, on the other hand, represent alternative exemplary embodiments in which each channel 3 is formed only by a groove 2 in a film 1, the grooves being covered in each plane by a smooth surface 4 of an adjacent film.

In 1b werden diese glatten Flächen durch die unstrukturierte plane Oberfläche einer benachbarten Folie mit Kanälen gebildet, wodurch ein Staple von gleichartigen Folien gebildet wird.In 1b These smooth surfaces are formed by the unstructured flat surface of an adjacent film with channels, whereby a stack of similar films is formed.

1c offenbart dagegen eine Ausführung, bei denen wie in 1a zwei mit Rillen strukturierte Folienoberflächen übereinander angeordnet sind, aber durch eine unstrukturierte Zwischenfolie 5 voneinander getrennt sind. Die beiden Rillen setzen dabei nicht wie in 1a dargestellt als Kanalhälften zu einem Kanal zusammen, sondern bilden durch die Zwischenfolie voneinander getrennt jeweils eigene Kanäle. 1c On the other hand, reveals an embodiment in which as in 1a two film surfaces structured with grooves are arranged one above the other, but are separated from one another by an unstructured intermediate film 5. The two grooves do not line up like in 1a shown as channel halves to form a channel, but rather form their own channels separated from each other by the intermediate film.

2a und b zeigen dagegen Querschnitte von Ausführungsbeispielen von für die Lösung der vorgenannten Aufgabe vorgeschlagenen Wärmeübertragern mit einer Niederdruck-Kanalgruppe 6 und einer Hochdruck-Kanalgruppe 7 als Folienstapel. Die Kanäle der Niederdruck-Kanalgruppe sind als Durchbrüche in Einzelfolien dargestellt (Niederdruck-Rahmen, zweite Folie), die beidseitig jeweils von einer benachbarten Folie (zu ersten Folien gehörend) abgedeckt werden. Die Wandung eines jeden Kanals der Niederdruck-Kanalgruppe wird so im Querschnitt durch drei benachbarte Schichten gebildet; diese Kanäle grenzen in für einen Wärmeübergang vorteilhafter Weise beidseitig direkt an zwei erste Folien der Hochdruck-Kanalgruppe an. Die Kanäle je Kanalgruppe sind parallel zueinander angeordnet und verschaltet. 2a and b, on the other hand, show cross sections of exemplary embodiments of heat exchangers proposed to solve the aforementioned task with a low-pressure channel group 6 and a high-pressure channel group 7 as a foil stack. The channels of the low-pressure channel group are shown as openings in individual foils (low-pressure frame, second foil), which are covered on both sides by an adjacent foil (belonging to the first foils). The wall of each channel of the low-pressure channel group is thus formed in cross section by three adjacent layers; These channels border directly on both sides of two first foils of the high-pressure channel group in an advantageous manner for heat transfer. The channels in each channel group are arranged and interconnected parallel to one another.

2a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Folienstapels, bei dem die Ebenen mit den Hochdruck-Kanalgruppen, wie in 1a dargestellt, für Hochdruckanwendungen besonders vorteilhaft mit runden Kanalquerschnitten über ein Folienpaar 9 (zwei erste Folien 8) erstreckend ausgestaltet sind. Dagegen sind die dazwischen angeordneten Ebenen mit den Niederdruck-Kanalgruppen 6 im Beispiel durch durchbrochene Einzelfolien 10 (Niederdruck-Rahmen) dargestellt, wobei die Durchbrüche 11 beidseitig durch jeweils eine glatte Fläche 4 eines der vorgenannten Folienpaare mit den Hochdruck-Kanalgruppen abgedeckt sind. 2a shows an exemplary embodiment of a film stack in which the levels with the high-pressure channel groups, as in 1a shown, are designed particularly advantageously for high pressure applications with round channel cross sections extending over a pair of foils 9 (two first foils 8). In contrast, the levels arranged between them with the low-pressure channel groups 6 are represented in the example by perforated individual foils 10 (low-pressure frames), the openings 11 being covered on both sides by a smooth surface 4 of one of the aforementioned foil pairs with the high-pressure channel groups.

2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit besonders kurzen Wärmeübertagungswegen zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkanalgruppen. Die Niederdruck-Kanalgruppen 6 sind wie in 2a durch durchbrochene Einzelfolien 10 (Niederdruck-Rahmen, zweite Folie) dargestellt, wobei die Durchbrüche 11 beidseitig durch je eine benachbarte erste Folie 8 des Folienpaars 9 der Hochdruck-Kanalgruppe 7 abgedeckt sind. Die Kanäle der Hochdruck-Kanalgruppen sind als rechteckige Rillen in nur einer ersten Folie des Folienpaars und in Fortsetzung zu den vorgenannten Durchbrüchen eingearbeitet und werden von einer unstrukturierten und beidseitig planen Abdeckfolie 12 (zweite der beiden ersten Folien) abgedeckt. Abdeckfolie und mit Rillen strukturierte Folien bilden das Folienpaar (zwei erste Folien). Dies sowie die rechteckigen Querschnitte der Kanäle der Hochdruck-Kanalgruppen und die unstrukturierte Abdeckfolie begünstigen einen besonders großen Flächenanteil der Kanalquerschnitte im Querschnitt des (ersten) Folienpaars einerseits und damit möglichst kurze Wärmeübertagungswege zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkanalgruppen. 2 B shows a further exemplary embodiment with particularly short heat transfer paths between the high-pressure and low-pressure channel groups. The low pressure channel groups 6 are as in 2a represented by perforated individual foils 10 (low-pressure frame, second foil), the openings 11 being covered on both sides by an adjacent first foil 8 of the foil pair 9 of the high-pressure channel group 7. The channels of the high-pressure channel groups are incorporated as rectangular grooves in only a first film of the film pair and in continuation of the aforementioned openings and are covered by an unstructured cover film 12 (second of the first two films) that is flat on both sides. Covering film and films structured with grooves form the pair of films (first two films). This as well as the rectangular cross-sections of the channels of the high-pressure channel groups and the unstructured cover film promote a particularly large area share of the channel cross-sections in the cross-section of the (first) pair of films on the one hand and thus the shortest possible heat transfer paths between the high-pressure and low-pressure channel groups.

3a bis d zeigt mehrere schematische Detailansichten einer durchbrochenen Folie 10 als zweite Folie (Niederdruck-Rahmen) mit einer Anzahl parallel verlaufender Durchbrüche 11 als Kanäle. 3c und d enthalten Schnittdarsstellungen der zweiten Folie entlang der in 3a dargestellten Schnittlinie A-A. Die Kanäle (Durchbrüche 11) münden endseitig in jeweils eine Sammelschiene 13 und 14 als Ein- bzw. Auslass aus bzw. ein, die als Rillen quer zu den Durchbrüchen angeordnet sind und diese fludisch miteinander verbinden. Ferner sind fludische Verbindungen 15 und 16 aus den Sammelschienen 13 bzw. 14 für eine Einleitung bzw. Ableitung des durch die Niederdruck-Kanalgruppe zu leitenden Medien vorgesehen. Diese fluidischen Verbindungen werden - wie dargestellt - bevorzugt als Durchbrüche durch die zweite Folie vorgeschlagen, wobei sich diese Durchbrüche in zumindest mehreren benachbarten Folien übereinander im ganzen Folienstapel angeordnet fortgesetzt einen die Folien kreuzende Einleitungs- und Ableitungskanäle bilden. Einleitungs- und Ableitungskanäle verbinden so auch übereinander angeordneten Sammelschienen miteinander. 3a to d shows several schematic detailed views of a perforated film 10 as a second film (low-pressure frame) with a number of parallel perforations 11 as channels. 3c and d contain sectional views of the second film along the in 3a shown section line AA. The channels (openings 11) open at their ends into a bus bar 13 and 14 as an inlet or outlet, which are arranged as grooves transversely to the openings and fluidly connect them to one another. Furthermore, fluidic connections 15 and 16 from the busbars 13 and 14 are provided for introducing or discharging the media to be conducted through the low-pressure channel group. These fluidic connections are - as shown - preferably proposed as breakthroughs through the second film, these breakthroughs being arranged one above the other in at least several adjacent films in the entire film stack and continuing to form an inlet and discharge channels crossing the films. Inlet and discharge channels also connect busbars arranged one above the other.

4a bis c geben verschiedene Ausführungsbeispiele für einen Gegenstrommikrowärmeübertrager für Verwendungen bevorzugt in der Kälte- und Kryotechnik allgemein (4a und b) sowie für die Temperierung von Stromzuführungen für Anwendungen der Supraleitung 23 (4c) wieder. Die dargestellten Gegenstromwärmeübertrager weisen jeweils zwei endseitige Anschlussbereiche 17 mit jeweils zwei Anschlüsse für die zwischen diesen angeordneten Erstreckungsbereich der Hochdruck- und Niederdruck-Kanalgruppen 18 auf. 4a to c give various exemplary embodiments for a countercurrent micro heat exchanger for uses preferably in refrigeration and cryogenic technology in general ( 4a and b) as well as for the temperature control of power supplies for superconductivity applications 23 ( 4c ) again. The countercurrent heat exchangers shown each have two end connection areas 17, each with two connections for the extension area of the high-pressure and low-pressure channel groups 18 arranged between them.

5 zeigt beispielhaft eine schematische Explosionszeichnung der ersten und zweiten Folien 8 bzw. 10 in einem Folienstapel eines in 4a dargestellten Ausführungsbeispiels. Dargestellt sind die Erstreckung einer Hochdruck-Kanalgruppe auf einer ersten Folie 27 sowie einer Niederdruck-Kanalgruppe auf einer zweiten Folie 28. Während die Kanäle beider Kanalgruppen im mittleren Erstreckungsbereich 18 schichtweise parallel verlaufen, schwenken sie in den beiden endseitigen Anschlussbereichen 17 Kanalgruppenweise in jeweils ein Anschlussvolumen aus und münden in diese ein bzw. aus. Deutlich erkennbar ist das erweiterte Anschlussvolumen (gestapelte Durchbrüche) im Abflussbereich, dargestellt im rechts dargestellten Anschlussbereich. Nach oben hin ist die zweite durchbrochene Folie 10 mit einer einseitig planen Abdeckfolie 25 abgeschlossen. 5 shows an example of a schematic exploded drawing of the first and second foils 8 and 10 in a stack of foils in 4a illustrated embodiment. The extent of a high-pressure channel group on a first film 27 and a low-pressure channel group on a second film 28 are shown. While the channels of both channel groups run parallel in layers in the central extension region 18, they pivot in the two end connection regions 17 in channel groups into a connection volume each and flow into or out of it. The expanded connection volume (stacked openings) in the drain area is clearly visible, shown in the connection area shown on the right. At the top, the second perforated film 10 is closed off with a cover film 25 that is flat on one side.

4a zeigt eine Ausführungsform, bei der die Anschlüsse für die Ableitungen für Niederdruck-Kanalgruppe 19 und der Hochdruck-Kanalgruppe 21 gegenüber deren Einleitungen 20 bzw. 22 wesentlich erweitert sind. Eine solche Ausgestaltung eignet sich besonders für Mikrowärmeübertrager, bei denen die in den Kanälen temperierten Medien eine Volumenzunahme erfahren (z.B. bei einer Reaktion oder einer Verdampfung) oder beim Ableiten der Medien nur ein geringer Strömungswiderstand tolerierbar ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch die anhand der 3a bis d beschriebenen Durchbrüche durch den Folienstapel aus, die als fluidische Verbindungen an die vorgenannten Anschlüsse angeschlossen sind. 4a shows an embodiment in which the connections for the discharge lines for the low-pressure channel group 19 and the high-pressure channel group 21 are significantly expanded compared to their inlets 20 and 22, respectively. Such a configuration is particularly suitable for micro heat exchangers in which the media tempered in the channels experience an increase in volume (eg during a reaction or evaporation) or only a low flow resistance can be tolerated when the media is drained away. This embodiment is characterized by the 3a to d described breakthroughs through the foil stack, which are connected as fluidic connections to the aforementioned connections.

4b zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Anschlüsse für die Ableitungen für Niederdruck-Kanalgruppe 19 und der Hochdruck-Kanalgruppe 21 gegenüber deren Einleitungen 20 bzw. 22 nicht oder unwesentlich im Querschnitt verändert wurden. Die vorgenannten fludischen Verbindungen und die Sammelschienen zwischen den Hochdruck- und Niederdruck-Kanalgruppen 18 und den Anschlüssen 19 bis 22 werden hier durch seitlich direkt an den Folienstapel angesetzte Verteilerkammern 24 ersetzt. In jede der vier Verteilerkammern münden vorzugsweise alle Kanäle einer Kanalgruppe aus oder ein und werden durch diese fluidisch jeweils an eine der vier Anschlüsse 19 bis 22 angebunden. 4b shows a further embodiment in which the connections for the discharges for the low-pressure channel group 19 and the high-pressure channel group 21 have not been changed or have been changed insignificantly in cross section compared to their inlets 20 and 22. The aforementioned fluidic connections and the busbars between the high-pressure and low-pressure channel groups 18 and the connections 19 to 22 are replaced here by distribution chambers 24 attached directly to the side of the foil stack. All channels of a channel group preferably open or enter into each of the four distribution chambers and are fluidly connected to one of the four connections 19 to 22.

4c zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Anschlüsse für die Ableitungen für Niederdruck-Kanalgruppe 19 und der Hochdruck-Kanalgruppe 21 gegenüber deren Einleitungen 20 bzw. 22 ebenfalls nicht oder unwesentlich im Querschnitt verändert wurden. Allerdings besteht der Folienstapel aus einem elektrisch gut leitenden Material, vorzugsweise Kupfer, und verfügt über Stromanschlüsse 23, so dass der elektrische Strom vorzugsweise parallel zu den Kanälen im mittleren Erstreckungsbereich 18 fließt. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für die Temperierung von Stromzuführungen für Anwendungen der Supraleitung, um den elektrischen Strom effizient von Raumtemperatur zur kryogenen Betriebstemperatur des Supraleiters zu transportieren. 4c shows a further embodiment in which the connections for the discharges for the low-pressure channel group 19 and the high-pressure channel group 21 have also not been changed or have been changed insignificantly in cross-section compared to their inlets 20 and 22. However, the foil stack consists of an electrically highly conductive material, preferably copper, and has power connections 23, so that the electrical current preferably flows parallel to the channels in the central extension region 18. This embodiment is particularly suitable for temperature control of power supply lines for superconductivity applications in order to efficiently transport the electrical current from room temperature to the cryogenic operating temperature of the superconductor.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11: Foliefoil
22: Rillegroove
33: Kanalchannel
44: glatte Fläche auf einer Foliesmooth surface on a foil
55: unstrukturierte Zwischenfolieunstructured intermediate film
66: Niederdruck-KanalgruppeLow pressure duct group
77: Hochdruck-KanalgruppeHigh pressure channel group
88th: erste Foliefirst slide
99: Folienpaar (zwei erste Folien)Slide pair (first two slides)
1010: durchbrochene Einzelfolie (Niederdruck-Rahmen, zweite Folie)perforated individual film (low-pressure frame, second film)
1111: Durchbruchbreakthrough
1212: beidseitig plane AbdeckfolieFlat covering film on both sides
1313: Sammelschiene für eine EinleitungBusbar for an introduction
1414: Sammelschiene für die AbleitungBusbar for the down conductor
1515: fludische Verbindung zur Einleitungfludic connection to the introduction
1616: fludische Verbindung zur Ableitungfludic connection to the derivation
1717: AnschlussbereichConnection area
1818: Erstreckungsbereich der Hochdruck- und Niederdruck-KanalgruppenExtension area of the high-pressure and low-pressure channel groups
1919: Anschluss für die Einleitung für Niederdruck-KanalgruppeConnection for inlet for low pressure duct group
2020: Anschluss für die Ableitung für Niederdruck-KanalgruppeConnection for the drain for the low pressure duct group
2121: Anschluss für die Einleitung für Hochdruck-KanalgruppeConnection for the inlet for high pressure channel group
2222: Anschluss für die Ableitung für Hochdruck-KanalgruppeConnection for the drain for high pressure channel group
2323: Anschlussfahne der Folien für elektrischen StromConnection lug of the foils for electrical current
2424: Verteilerkammerdistribution chamber
2525: einseitig plane AbdeckfolieCovering film that is flat on one side
2626: Erstreckung einer Niederdruck-Kanalgruppe auf zweiter FolieExtension of a low-pressure channel group on the second foil
2727: Erstreckung einer Hochdruck-Kanalgruppe auf erster FolieExtension of a high-pressure channel group on the first foil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3709278 C2 [0003, 0004]

Claims

Heat exchanger with a first high-pressure channel group (7) and a second low-pressure channel group (6), each with a plurality of channels (3) between an inlet (19, 21) and an outlet area (20, 22), the channels (3) each channel group is arranged in its own levels, the channel groups (6, 7) are separated from each other on the fluid side and are placed in their own films and these are assembled into a film stack, characterized in that a) the channels of the first high-pressure channel group are arranged in levels by grooves (2) are incorporated into at least one first film (8) of a first pair of films (9) with two first films lying flat on top of each other, the grooves extending from a contact surface of the two first films to one another into the at least one first film, but the do not penetrate the two first foils, b) the channels of the second low-pressure channel group are formed at each level by openings (11) with webs arranged between them in a second foil (10) and on both sides by a first foil (8) of a first foil pair ( 9) or a final film (25) are covered, and c) the film stack comprises an alternating stacking of second films (10) and first pair of films (9), the top and / or bottom layer of the film stack being covered by a final film or a first pair of films is formed.

heat exchanger Claim 1 , characterized in that the channels of the first high-pressure channel group (7) are incorporated level by grooves (2) in both first foils of the first foil pair (9), the grooves starting from the contact surface of the first two foils being a mirror image of one another in both first slides extend.

heat exchanger Claim 1 or 2 , characterized in that the second channel group (6) has a flow cross section which exceeds the cross section of the webs by at least twice.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that each of the first and second levels has a plurality of channels (3) arranged next to one another, continuous and separated from one another on the fluid side.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (3) are arranged and connected in parallel for each channel group (6, 7).

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (3) for each channel group (6, 7) each have a uniform length and/or a constant flow cross section over their entire channel length.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that all channels (3) of both channel groups (6, 7) are arranged at least in sections parallel to one another to form a co-current or counter-current heat exchanger.

Heat exchanger according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the channels (3) of the first high-pressure channel group (7) and those of the second low-pressure channel group (6) are each arranged at an angle to one another, thus crossing each other to form a cross-flow heat exchanger.

heat exchanger Claim 7 or 8th , characterized in that the inlet and outlet areas (13, 14, 15, 16) are each arranged in levels at the end of the channels (3) in the respective level.

heat exchanger Claim 9 , characterized in that the inlet and outlet areas (13, 14, 15, 16) of the first and second channel groups (6, 7) are formed by depressions or grooves in at least one first film of the respective first pair of films or by openings or grooves or depressions are incorporated into the respective second foils.

heat exchanger Claim 10 , characterized in that the inlet and outlet areas of the first and second channel groups are each separately connected to one another on the fluid side in such a way that they each form a common inlet and a common outlet for the high-pressure channel group and the low-pressure channel group of the heat exchanger.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (3) of both channel groups are incorporated into metal foils as microchannels of two microchannel groups as grooves or foil openings with narrowest flow cross sections between 0.001 mm ² and 10 mm ² and the metal foils are formed into a foil stack by means of diffusion welding are put together.