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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft hartgelötete
Plattenwärmeaustauscher
und insbesondere hartgelötete Plattenwärmeaustauscher,
bei denen eines der durch den Wärmeaustauscher
hindurchgehenden Fluids einen Druck von mehr als 1000 psi hat, wie beispielsweise
in einem in transkritischen Kühlsystemen
verwendeten Wärmeaustauscher.
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Allgemeiner Stand der
Technik
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Hartgelötete Plattenwärmeaustauscher
werden häufig
für Ölkühler verwendet
und sind in einem geringeren Ausmaß für eine Verwendung in Kühlanlagen
bekannt. Wegen ihrer Kompaktheit sind solche Wärmeaustauscher wünschenswert
für eine
Verwendung in Systemen, die eine begrenzte Einbauhülle haben,
wie beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen. Ein Nachteil herkömmlicher
hartgelöteter
Plattenwärmeaustauscher
ist, dass ihr Aufbau sich nicht für Hochdruckanwendungen eignet,
bei denen die Betriebsdrücke
zum Beispiel 1000 psi bis 2000 psi oder mehr betragen können und
die Berstdruckanforderungen im Bereich von etwa 4000 psi bis etwa 6000
psi liegen können.
In dieser Hinsicht sind herkömmliche
hartgelötete
Plattenwärmeaustauscher typischerweise
auf weniger als 1000 psi begrenzt. Dies hat die Verwendung solcher
Wärmeaustauscher in
Hochdrucksystemen, wie beispielsweise transkritischen Kühlsystemen,
die ein Kältemittel
wie beispielsweise Kohlendioxid (CO2) verwenden,
verhindert.
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Zunehmende
Umweltbesorgnisse über
die Verwendung vieler herkömmlicher
Kältemittel,
wie beispielsweise CFC12 und, in einem geringeren Ausmaß, HFC134a,
haben zur Erwägung
von transkritischen CO2-Systemen für eine Verwendung
in Fahrzeuganwendungen, Wärmepumpen,
Warm wasserbereitern und Kühlanlagen
geführt.
Zum einen könnte
das als Kältemittel
in solchen Systemen benutzte CO2 am Anfang
aus der Atmosphäre
oder aus Abfallprodukten anderer Industrieprozesse in Anspruch genommen
werden, mit dem Ergebnis, dass es keinen Nettoanstieg im CO2-Gehalt der Atmosphäre geben würde, sollte es aus dem System
zurück
zur Atmosphäre
austreten. Außerdem
beeinträchtigt
das CO2, während es vom Standpunkt des
Treibhauseffekts unerwünscht
ist, nicht die Ozonschicht und würde
keine Steigerung des Treibhauseffekts verursachen, weil es im Ergebnis
eines Austretens keinen Anstieg im CO2-Gehalt
der Atmosphäre
geben würde.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Es
ist die Hauptaufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten
hartgelöteten
Plattenwärmeaustauscher
bereitzustellen, der mit Hochdruck-Arbeitsfluida, wie beispielsweise überkritischem
CO2, verwendet werden kann.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird ein hartgelöteter Plattenwärmeaustauscher
zum Übertragen
von Wärme
zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid bereitgestellt,
wobei das erste Fluid unter einen Druck von mehr als 1000 psi gesetzt
wird. Der hartgelötete
Plattenwärmeaustauscher
schließt
mehrere Plattenpaare zum Definieren von Durchflussbahnen für das erste
Fluid, mehrere zwischen den Plattenpaaren verzahnte Turbulatorplatten
zum Definieren von Durchflussbahnen für das zweite Fluid, wobei jede
der Turbulatorplatten zwischen den Plattenpaaren eingeschoben ist,
um denselben eine strukturelle Stütze zu verleihen, und Verstärkungen,
die sich zwischen jedem der Plattenpaare erstrecken, ein. Jedes
Plattenpaar umschließt mehrere
Durchflusskanäle,
die sich von einer ersten Einlassöffnung zu einer ersten Auslassöffnung erstrecken,
wobei jeder der Durchflusskanäle
einen hydraulischen Durchmesser von weniger als 1 mm hat. Die Plattenpaare
sind als ein Stapel angeordnet, wobei die ersten Einlassöffnungen
miteinander ausgerichtet sind, um einen ersten Einlassverteiler
zum Verteilen des ersten Fluids zu den Durchflusskanälen zu definieren,
und die zweiten Öffnungen
miteinander ausgerichtet sind, um einen ersten Auslassverteiler zum
Sammeln des ersten Fluids aus den Durchflusskanälen zu definieren. Die Verstärkungen
sind mit den ersten Einlass- und Auslassöffnungen ausgerichtet und definieren
den ersten Einlass- und Auslassverteiler zwischen den Plattenpaaren.
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In
einem Aspekt der Erfindung sind die Verstärkungen mehrere zwischen den
Plattenpaaren verzahnte Unterlegscheiben. In einem weiteren Aspekt
sind die ersten Einlass- und Auslassöffnungen kreisförmige Öffnungen,
und jede der Unterlegscheiben schließt eine ringförmige Stufe
ein, die in einer entsprechenden der ersten Einlass- und Auslassöffnungen
aufgenommen wird.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung sind Paare von mit Kanälen versehenen
Platten zwischen den Platten jedes der Plattenpaare eingeschoben,
wobei sich Rillen durch jede der mit Kanälen versehenen Platten erstrecken,
um mit den Rillen der anderen mit Kanälen versehenen Platte des Paars
die Durchflusskanäle
zu definieren.
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In
einem Aspekt sind die Platten jedes der Plattenpaare napfgezogene
Platten, und eine der Platten jedes der Plattenpaare ist mit Vertiefungen versehen,
um die Durchflusskanäle
zu definieren.
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Nach
einem Aspekt sind die ersten Einlass- und Auslassöffnungen
kreisförmige Öffnungen,
und die Verstärkungen
schließen
ein zylindrisches Einlass-Sammelrohr, das sich durch die ersten
Einlassöffnungen
erstreckt, wobei eine Außenfläche des Einlass-Sammelrohrs
an einen umgebenden Umfang der Einlassöffnungen in jeder der Platten
jedes der Plattenpaare hartgelötet
ist, und ein zylindrisches Auslass-Sammelrohr, das sich durch die
ersten Auslassöffnungen
erstreckt, wobei eine Außenfläche des Auslass-Sammelrohrs
an einen umgebenden Umfang der Auslassöffnungen in jeder der Platten
jedes der Plattenpaare hartgelötet
ist, ein. In einem weiteren Aspekt schließt jedes der Sammelrohre mehrere Schlitze
ein, wobei jeder der Schlitze mit den Durchflusskanälen eines
entsprechenden Plattenpaars ausgerichtet ist.
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In
einem Aspekt schließt
jedes der Plattenpaare ferner ein Paar von abgedichteten Öffnungen ein,
die sich durch das Plattenpaar erstrecken, wobei die eine des Paars
von abgedichteten Öffnungen
in jedem der Plattenpaare mit der einen des Paars von abgedichteten Öffnungen
in den benachbarten Plattenpaaren ausgerichtet ist, um einen zweiten
Einlassverteiler zum Verteilen des zweiten Fluids zu den Durchflussbahnen
für das
zweite Fluid zu definieren, und die andere des Paars von abgedichteten Öffnungen
in jedem der Plattenpaare mit der anderen des Paars von abgedichteten Öffnungen
in den benachbarten Plattenpaaren ausgerichtet ist, um einen zweiten
Auslassverteiler zum Sammeln des zweiten Fluids aus den Durchflussbahnen
für das
zweite Fluid zu definieren.
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In
einem Aspekt der Erfindung schließt der hartgelötete Plattenwärmeaustauscher
ferner eine Deckplatte, die eine obere Außenseite des Wärmeaustauschers
definiert, eine zwischen der Deckplatte und einem obersten der Plattenpaare
eingeschobene Turbulatorplatte, um Durchflusskanäle für das zweite Fluid zu definieren
und den Plattenpaaren eine strukturelle Stütze zu verleihen, eine Bodenplatte,
die eine untere Außenseite
des Wärmeaustauschers
definiert, und eine zwischen der Bodenplatte und einem untersten
der Plattenpaare eingeschobene Turbulatorplatte, um Durchflusskanäle für das zweite
Fluid zu definieren und den Plattenpaaren eine strukturelle Stütze zu verleihen,
ein.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird der hartgelötete Plattenwärmeaustauscher
zum Übertragen
von Wärme
zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid bereitgestellt,
wobei das erste Fluid unter einen Druck von mehr als 1000 psi gesetzt wird.
Der hartgelötete
Plattenwärmeaustauscher schließt mehrere
flache Plattenunterbaugruppen, mehrere zwischen den Unterbaugruppen
verzahnte Turbulatorplatten zum Definieren von Durchflussbahnen
für das
zweite Fluid, wobei die Turbulatorplatten zwischen den Unterbaugruppen
eingeschoben sind, um denselben eine strukturelle Stütze zu verleihen, und
mehrere massive, zwischen den Unterbaugruppen verzahnte, Unterlegscheiben,
um denselben eine strukturelle Stütze zu verleihen, ein. Jede
der Unterbaugruppen schließt
ein Paar von äußeren flachen
Platten und ein zwischen den äußeren Platten eingeschobenes
Paar von mit Kanälen
versehenen Platten ein, wobei jede der Platten eine Einlassöffnung und
eine mit Zwischenraum zu der Einlassöffnung angeordnete Auslassöffnung hat.
Die Einlassöffnungen
sind miteinander ausgerichtet, um einen ersten Einlassverteiler
zu definieren, und die Auslassöffnungen
sind miteinander ausgerichtet, um einen ersten Auslassverteiler
zu definieren. Jede der mit Kanälen
versehenen Platten schließt
mehrere Rillen ein, die mit den Rillen der anderen mit Kanälen versehenen
Platte des Paares zusammenwirken, um mehrere Durchflusskanäle für das erste
Fluid zu definieren, die sich zwischen den Einlassöffnungen
zu den Auslassöffnungen
des Paars erstrecken. Die Unterlegscheiben sind mit den Einlass-
und den Auslassöffnungen
ausgerichtet, wobei die Unterlegscheiben, die mit den Einlassöffnungen
ausgerichtet sind, den ersten Einlassverteiler zwischen den Unterbaugruppen
definieren und die Unterlegscheiben, die mit den Auslassöffnungen
ausgerichtet sind, den ersten Auslassverteiler zwischen den Unterbaugruppen
definieren.
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In
einem Aspekt sind die Einlass- und die Auslassöffnungen in den äußeren Platten
kreisförmige Öffnungen,
und jede der Unterlegscheiben schließt eine ringförmige Stufe
ein, die in einer entsprechenden der Einlass- und der Auslassöffnungen in
den äußeren Platten
aufgenommen wird, ohne sich durch die äußere Platte zu erstrecken.
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Nach
einem Aspekt erstrecken sich die Rillen in der einen der mit Kanälen versehenen
Platten jedes Paars in Längsrichtung
zwischen den Einlass- und den Auslassöffnungen, und die Rillen in
der anderen mit Kanälen
versehenen Platte des Paars erstrecken sich quer zu den Rillen in
der einen der mit Kanälen
versehenen Platten.
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In
einem Aspekt der Erfindung schließt jede der Unterbaugruppen
ferner ein Paar von abgedichteten Öffnungen ein, die sich durch
die Unterbaugruppe erstrecken. Die eine des Paars von abgedichteten Öffnungen
in jeder der Unterbaugruppen ist mit der einen des Paars von abgedichteten Öffnungen
in den benachbarten Unterbaugruppen ausgerichtet, um einen zweiten
Einlassverteiler zum Verteilen des zweiten Fluids zu den Durchflussbahnen
für das zweite
Fluid zu definieren, und die andere des Paars von abgedichteten Öffnungen
in jeder der Unterbaugruppen ist mit der anderen des Paars von abgedichteten Öffnungen
in den benachbarten Unterbaugruppen ausgerichtet, um einen zweiten
Auslassverteiler zum Sammeln des zweiten Fluids aus den Durchflussbahnen
für das
zweite Fluid zu definieren. Nach einem weiteren Aspekt schließt der hartgelötete Plattenwärmeaustauscher
ferner mehrere zwischen den Unterbaugruppen verzahnte Abstandsplatten
ein, wobei jede der Abstandsplatten zwischen einem benachbarten
Paar der Unterbaugruppen eingeschoben ist und die Turbulatorplatte
und die zwischen dem benachbarten Paar eingeschobenen Unterlegscheiben
umgibt, um einen Durchflussraum für das zweite Fluid zu umschließen.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung schließt der hartgelötete Plattenwärmeaustauscher
ferner eine Deckplatte, die eine obere Außenseite des Wärmeaustauschers
definiert, eine zwischen der Deckplatte und einer obersten der Unterbaugruppen
eingeschobene Turbulatorplatte, um Durchflusskanäle für das zweite Fluid zu definieren
und den Unterbaugruppen eine strukturelle Stütze zu verleihen, eine Bodenplatte,
die eine untere Außenseite
des Wärmeaustauschers
definiert, und eine zwischen der Bodenplatte und einer untersten
der Unterbaugruppen eingeschobene Turbulatorplatte, um Durchflusskanäle für das zweite
Fluid zu definieren und den Unterbaugruppen eine strukturelle Stütze zu verleihen,
ein.
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In
einem Aspekt der Erfindung ist jede der Turbulatorplatten eine eingeschnittene
und versetzte Rippe.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein transkritisches Kühlsystem
bereitgestellt und schließt
einen Arbeitsfluid-Durchflussregelkreis, einen mit dem Arbeitsfluid-Durchflussregelkreis
verbundenen Kompressor zum Aufnehmen des Arbeitsfluids aus demselben
und zum Verdichten des Arbeitsfluids auf einen überkritischen Druck zum Zuführen zurück zu dem
Arbeitsfluid-Durchflussregelkreis und
einen mit dem Arbeitsfluid-Durchflussregelkreis verbundenen
hartgelöteten
Plattenwärmeaustauscher
zum Aufnehmen des Arbeitsfluids aus demselben und Zurückführen des
Arbeitsfluids zu demselben. Der hartgelötete Plattenwärmeaustauscher schließt mehrere
hartgelötete,
gestapelte Plattenunterbaugruppen ein, die Hochdruck-Durchflussbahnen für das Arbeitsfluid
definieren. Die hartgelöteten
Unterbaugruppen sind mit einem anderen Satz von Durchflussbahnen
für ein
anderes Fluid verzahnt, um Wärme
zwischen dem Arbeitsfluid und dem anderen Fluid zu übertragen.
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In
einem Aspekt umfasst jede der Unterbaugruppen ein Paar von zusammenpassenden
napfgezogenen Platten.
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Nach
einem Aspekt umfasst jede der Unterbaugruppen ein Paar von äußeren flachen
Platten und ein Paar von mit Kanälen
versehenen Platten, die zwischen den äußeren flachen Platten eingeschoben
sind.
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Andere
Merkmale, Aspekte, Aufgaben und Vorzüge der Erfindung werden offensichtlich
aus einer vollständigen
Lektüre
der Patentbeschreibung, einschließlich der angefügten Zeichnungen
und Ansprüche.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines transkritischen Kühlsystems,
das einen hartgelöteten
Plattenwärmeaustauscher
nach der Erfindung einschließen
kann,
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2 ist
ein im Schnitt gezeigter Seitenriss eines Wärmeaustauschers, der die vorliegende
Erfindung ausführt,
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3 ist
eine Draufsicht des Wärmeaustauschers
von 2,
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
des durch die Linie 4 in 2 eingekreisten Bereichs,
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht
des durch die Linie 5 in 2 eingekreisten Bereichs,
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6 bis 10 sind
jeweils vergrößerte Draufsichten
von Platten, die in dem Wärmeaustauscher
von 2 verwendet werden,
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11 ist
eine teilweise, vergrößerte Überlagerungsansicht
der in 7 bis 10 gezeigten Platten,
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12 ist
eine teilweise, vergrößerte Überlagerungsansicht
der in 8 und 9 gezeigten Platten,
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13 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer anderen Version
eines Wärmeaustauschers,
der die vorliegende Erfindung ausführt,
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14 ist
eine schematische Ansicht, von der Linie 14-14 in 13,
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15 ist
eine Schnittansicht, von der Linie 15-15 in 13,
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16 ist
eine Schnittansicht, von der Linie 16-16 in 13,
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17 und 18 sind
Draufsichten eines Paars von Platten, die in den Wärmeaustauschern, welche
die vorliegende Erfindung ausführen,
benutzt werden können,
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19 ist
eine Draufsicht, welche die Platten von 17 und 18 übereinander
gelegt zeigt,
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20 und 21 sind
schematische Darstellungen alternativer Sammelrohrkonstruktionen zur
Verwendung in den in 1 bis 19 gezeigten Wärmeaustauschern.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Unter
Bezugnahme auf 1 schließt ein transkritisches Kühlsystem 10,
das ein Kältemittel oder
Arbeitsfluid 11, wie beispielsweise CO2,
verwendet, folgendes ein: einen Gaskühler 12, der durch
Abgeben von Wärme
an ein Kühlmedium 13 superkritische
Kühlung
für das
Kältemittel 11 bereitstellt,
einen Verdampfer 14, der Wärme von einem heißen Medium 15 zu
dem Kältemittel 11 überträgt, um die
Flüssigphase
des Kältemittels 11 aus
der Flüssigphase
in die Gasphase zu verdampfen, einen Verdichter 16, der
das Gasphasenkältemittel 11 auf
einen superkritischen Druck für
die Zufuhr zu dem Gaskühler 12 verdichtet,
eine Expansionsvorrichtung 18, die den Druck in dem aus
dem Gaskühler 12 aufgenommenen
Kältemittel 11 verringert,
so dass wenigstens etwas von dem Kältemittel 11 in die
Flüssigphase
eintritt, einen Sammler 20 (wahlweise), der das Kältemittel 11 aus
dem Verdampfer 14 auffängt
und das Gasphasenkältemittel 11 dem
Rest des Systems 12 zuführt,
und einen Saugleitungswärmeaustauscher 22 (wahlweise),
der Wärme
von dem aus dem Gaskühler 12 austretenden
Kältemittel 11 zu
dem aus dem Verdampfer 14 oder dem Sammler 20,
falls verwendet, austretenden Kältemittel überträgt. Wie
bei dem System 10 gezeigt, können Wärmeaustauscher, welche die
vorliegende Erfindung ausführen,
entweder für
den Gaskühler 12 oder
für den
Verdampfer 14 oder für
beide verwendet werden. Es sollte sich jedoch verstehen, dass Austauscher,
die das vorliegende System ausführen,
in anderen Konfigurationen von Kühlsystemen,
die einen transkritischen Kühlkreislauf
ausführen,
und in anderen Typen von Systemen, die verhältnismäßig hohe Drücke, d.h., Betriebsdrücke von
mehr als 1000 psi, benutzen, Anwendung finden können. Dementsprechend sind
die offenbarten Wärmeaustauscher
nicht auf eine Verwendung mit dem in 1 gezeigten
spezifischen Kühlsystem 10 begrenzt.
Ferner sollte es sich verstehen, dass Wärmeaustauscher, welche die
vorliegende Erfindung ausführen,
für eine
große
Vielfalt von Zwecken angepasst werden können, bei denen eines der Arbeitsfluida
bei einem verhältnismäßig hohen Druck
arbeitet.
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Nachdem
eine typische Betriebsumgebung für
Wärmeaustauscher,
welche die vorliegende Erfindung ausführen, beschrieben worden ist,
wird nun eine detailliertere Beschreibung für eine bevorzugte Ausführungsform
der Wärmeaustauscher
bereitgestellt.
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Wie
in 2 und 3 zu sehen ist, wird ein hartgelöteter Wärmeaustauscher 30,
der die vorliegende Erfindung ausführt, bereitgestellt, um Wärme zwischen
einem ersten Fluid, wie beispielsweise einem Kältemittel CO2,
gezeigt durch Pfeile 32, und einem zweiten Fluid, gezeigt
durch Pfeile 34, zu übertragen,
wobei das erste Fluid 32 unter einen Druck von mehr als
1000 psi gesetzt wird und in einigen Systemen einen Betriebsdruck
von mehr als 2000 psi hat. Der Wärmeaustauscher 30 schließt mehrere
flache Plattenunterbaugruppen 36 ein, wobei jede der Unterbaugruppen
ein Paar von äußeren flachen
Platten 38, 40 und ein Paar 41 von mit
Kanälen
versehenen Platten 42, 44, die zwischen den äußeren Platten 38, 40 eingeschoben
sind, umfasst. Die flachen, zusammenpassenden Flächen der Platten 38, 40, 42 und 44 sind
hart aneinander gelötet,
um die Unterbaugruppe 36 zu bilden, entweder durch Bereitstellen
eines geeigneten Hartlötblechs
zwischen allen Platten 38, 40, 42 und 44 oder
durch Bereitstellen einer plattierten Hartlötbeschichtung auf wenigstens
einer jedes Paars von flachen zusammenpassenden Flächen der
Unterbaugruppe 36 und vorzugsweise auf allen der flachen,
zusammenpassenden Flächen der
Unterbaugruppe 36. Die äußeren Platten 38 und 40 sind
identisch und sind am besten in 7 zu sehen.
Wie am besten in 7 bis 9 zu sehen
ist, hat jede der Platten 38, 40, 42 und 44 eine
Einlassöffnung 46 und
eine Auslassöffnung 48,
die mit Zwischenraum zu der Einlassöffnung 46 angeordnet
ist. Die Einlassöffnungen 46 sind
miteinander ausgerichtet, um einen ersten Einlassverteiler 50 für das Fluid 32 zu
definieren, und die Auslassöffnungen 48 sind miteinander
ausgerichtet, um einen ersten Auslassverteiler 52 für das Fluid 32 zu
definieren.
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Jede
der Kanalplatten 42, 44 schließt mehrere Rillen 54 ein,
die sich, wie am besten in 8 und 9 zu
sehen ist, durch die Dicke der zugeordneten Platte 42, 44 erstrecken.
Im zusammengebauten Zustand wirken die Rillen 54 mit den
Rillen 54 der anderen Kanalplatte des Paars 41 zusammen,
um mehrere Durchflusskanäle 56 für das erste
Fluid 32 zu definieren, die sich zwischen den Einlassöffnungen 46 und
den Auslassöffnungen 48 des
Paars 41 erstrecken. Die äußeren Platten 38, 40 umschließen die durch
die Rillen 54 definierten Durchflusskanäle 56, wenn die Platten 42, 44 zwischen
den äußeren Platten 38, 40 eingeschoben
sind. Wie in 8 und 9 zu sehen
ist, erstrecken sich bei den illustrierten Ausführungsformen die Rillen 54 in
der Platte 42 parallel zur Länge der Platte 42,
und die Rillen 54 in der Platte 44 erstrecken
sich quer zur Länge
der Platte 44, so dass, wenn die Platten 42 und 44,
wie in 12 gezeigt, übereinander gelegt werden,
die Querrillen 54 in der Platte 44 mit den Endabschnitten der
Längsrillen 54 in
der Platte 42 zusammenpassen, um so die Durchflusskanäle 56 zum
Leiten des Fluids 32 zwischen den Öffnungen 46 und 48 und
den Verteilern 50 und 52 zu bilden. Während eine
bevorzugte Anordnung der Rillen 54 gezeigt wird, kann es
bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein, andere Anordnungen der
Rillen bereitzustellen, in Abhängigkeit von
den besonderen Parametern der Anwendung, wie beispielsweise der
relativen Position der Einlass- und der Auslassverteiler 50 und 52,
den Fluideigenschaften des ersten Fluids 32 und der Größe und Form
des Wärmeaustauschers 30.
Ein anderes Beispiel eines annehmbaren Rillenmusters wird in 17 bis 19 gezeigt,
das weiter unten detaillierter erörtert wird.
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Vorzugsweise
hat jeder der Durchflusskanäle 56 einen
hydraulischen Durchmesser von weniger als 0,04 Zoll oder 1 mm, und
die Kanäle 54 sind
mit einem ausreichenden Abstand zueinander angeordnet, so dass es,
wenn die Platten 38, 40, 42 und 44 hart
aneinander gelötet
werden, um die Unterbaugruppe 36 zu bilden, eine ausreichende
hartgelötete Oberfläche gibt,
um die strukturelle Stütze
zu gewährleisten,
um der hohen Druckkraft innerhalb der Durchflusskanäle 56 zu
widerstehen, die durch den kleinen hydraulischen Durchmesser begrenzt
wird. In dieser Hinsicht könnte,
als ein möglicher
Aufbau für die
illustrierte Ausführungsform,
jede der Platten 38, 40, 42 und 44 aus
0,028 Zoll dickem Aluminium hergestellt sein, wobei eine ausreichende
Menge an Hartlötmaterial
auf beide Seiten jeder der Platten 38, 40, 42 und 44 plattiert
ist und jede der Rillen 54 in jeder der Platten 42 und 44 eine
Breite W, die 0,030 Zoll entspricht, und einen Abstand S zwischen
benachbarten Rillen 54, der 0,060 Zoll entspricht, hat. Es
sollte sich verstehen, dass die für die Rillen 54 erforderlichen
Abmessungen und Abstände
von einer Zahl von Faktoren abhängen
werden, einschließlich des
speziellen für
die Platten 38, 40, 42 und 44 ausgewählten Materials,
der Dicke jeder der Platten 38, 40, 42 und 44,
des Betriebs- und des Berstdrucks des ersten Fluids 32 und
des Musters der Rillen 54 in jeder der Platten 42 und 44,
aber nicht darauf begrenzt. Ferner sollte zu erkennen sein, dass
es in einigen Anwendungen wünschenswert
sein kann, dass die Dicke unter den Platten abweicht, während bei
der illustrierten Ausführungsform
jede der Platten 38, 40, 42 und 44 die
gleiche Dicke hat.
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Der
Wärmeaustauscher 30 schließt ferner mehrere
Turbulatorplatten 58 (in 2 nur zwei
teilweise gezeigt) ein, die zwischen den Unterbaugruppen 36 verzahnt
sind, um Durchflussbahnen 60 für das zweite Fluid 34 zu
definieren. Es sollte sich verstehen, dass die Turbulatorplatte
in 10 nur teilweise gezeigt wird, wobei die mittlere
Länge der
Platte zu Illustrationszwecken nicht gezeigt wird. Jede der Turbulatorplatten
ist zwischen benachbarten Paaren der Unterbaugruppen 36 eingeschoben,
vorzugsweise bereitgestellt in der Form einer eingeschnittenen und
versetzten Turbulatorplatte, wie gezeigt durch den gedrehten Querschnitt
der Turbulatorplatte, der zu Illustrationszwecken in der Mitte von 10 bereitgestellt
wird.
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Verstärkungen 62,
in der Form mehrerer Unterlegscheiben 64, sind mit den
Einlass- und den Auslassöffnungen 46 und 48 ausgerichtet
und zwischen den Unterbaugruppen 36 verzahnt, um denselben
eine strukturelle Stütze
zu verleihen, wobei die Unterlegscheiben 64, die mit den
Einlassöffnungen 46 ausgerichtet
sind, den Einlassverteiler 50 zwischen den Unterbaugruppen 36 definieren
und die Unterlegscheiben 64, die mit den Auslassöffnungen 48 ausgerichtet
sind, den Auslassverteiler 52 zwischen den Unterbaugruppen 36 definieren.
Wie in 7 zu sehen, ist jede der Öffnungen 46 und 48 in den äußeren Platten 38, 40 kreisförmig und
ist dafür bemessen,
eng einen ringförmigen
Rand oder Absatz 65 aufzunehmen, der an jeder der entsprechenden
Unterlegscheiben 64 geformt ist, um so die Unterlegscheiben 64 während des
Zusammenbaus des Wärmeaustauschers 30 sicher
zu positionieren. Wie am besten in 8 und 9 zu
sehen ist, hat jede der Öffnungen 46 und 48 in
den mit Kanälen
versehenen Platten 42, 44 bei der illustrierten
Ausführungsform
eine annähernd
quadratische Form mit abgerundeten Ecken, wobei jede Seite des Quadrats ungefähr oder
geringfügig
größer ist
als der Durchmesser der Löcher 46, 48 in
den äußeren Platten 38, 40,
um so den Absatz 65 aufzunehmen, sollte er sich über die Öffnungen 46, 48 in
den äußeren Platten 38, 40 hinaus
erstrecken.
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Jede
der Unterbaugruppen 36 schließt ferner ein Paar von länglichen
abgedichteten Öffnungen 66 und 68 ein,
die sich durch die Unterbaugruppe 36 erstrecken, wobei
die Öffnung 66 in
jeder der Unterbaugruppen 36 mit den abgedichteten Öffnungen 66 in den
benachbarten Unterbaugruppen 36 ausgerichtet ist, um einen
zweiten Einlassverteiler 70 zum Verteilen des zweiten Fluids 34 zu
den Durchflussbahnen 60 zu definieren, und die andere abgedichtete Öffnung 68 in
jeder der Unterbaugruppen 36 mit den anderen abgedichteten Öffnungen 68 in
den benachbarten Unterbaugruppen 36 ausgerichtet ist, um
einen zweiten Auslassverteiler 72 zum Sammeln des zweiten
Fluids 34 aus der Durchflussbahn 60 zu definieren.
Die abgedichteten Öffnungen 66 und 68 werden
durch einzelne, in jeder der Platten 38, 40, 42 und 44 geformte, Öffnungen 74 bzw. 76 definiert,
die durch die passenden flachen Flächen abgedichtet werden, welche
die Öffnungen 74, 76 umgeben, wenn
die Platten 38, 40, 42 und 44 hart
aneinander gelötet
sind.
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Wie
am besten in 1 und 10 zu
sehen ist, schließt
der Wärmeaustauscher 30 ferner mehrere
zwischen den Unterbaugruppen 36 verzahnte und die Turbulatorplatten 58 und
die Unterlegscheiben 64 umgebenden Abstandsplatten 80 ein, um
die Durchflussbahnen 60 für das zweite Fluid 34 zu
umschließen.
Vorzugsweise sollte die Dicke der Abstandsplatten 80 gleich
wie oder nur geringfügig kleiner
als die Dicke der Turbulatorplatten 58 sein, so dass sowohl
die Abstandsplatten 80 als auch die Turbulatorplatten den
Unterbaugruppen 36 eine strukturelle Stütze bereitstellen, wenn der
Wärmeaustauscher 30 zusammengebaut
und hartgelötet
ist. Wie am besten in 10 und 11 zu
sehen ist, hat jede der Turbulatorplatten 58 einen quadratförmigen Ausschnitt 81,
der in jedem der entgegengesetzten Enden der Turbulatorplatte 58 geformt
ist, wobei die Abmessung des Quadrats gleich wie oder geringfügig größer als
der größte Außendurchmesser
der Unterlegscheibe 64 ist, wieder, um das Positionieren
der Turbulatorplatten 58 und der Unterlegscheiben 64 während des
Zusammenbaus zu unterstützen.
Außerdem
hat in dieser Hinsicht jede der Abstandsplatten 80 vier
nach innen vorspringende Laschen 82, die mit Zwischenraum
zueinander angeordnet sind, um eine Länge, die geringfügig größer ist
als die Länge jeder
der Turbulatorplatten 58, um das Positionieren der Turbulatorplatten 58 während des
Zusammenbaus zu unterstützen.
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Der
Wärmeaustauscher 30 schließt ebenfalls
eine Deckplatte 84, die eine obere Außenseite des Wärmeaustauschers 30 definiert,
und eine Bodenplatte 86, die eine untere Außenseite
des Wärmeaustauschers 30 definiert,
ein. Wie am besten in 6 zu sehen ist, schließt die Deckplatte 84 ein Paar
von Öffnungen 88 und 90 ein,
die mit den Einlassverteilern 50 bzw. 52 ausgerichtet
sind und bemessen sind, um Fluidanschlusskupplungen 100 bzw.
102 (in 2 nur eine gezeigt) aufzunehmen, die
als Einlass- bzw. Auslassanschlüsse
für das
Kältemittel 32 verwendet
werden. Die Deckplatte 84 schließt ebenfalls ein Paar von Öffnungen 106 und 108 ein,
die mit den Verteilern 70 bzw. 72 ausgerichtet
sind und bemessen sind, um Anschlusskupplungen 110 bzw. 112 aufzunehmen,
die als Einlass- bzw. Auslassanschluss für das zweite Fluid 34 wirken. Während bei
der illustrierten Ausführungsform
bestimmte Formen für
die Kupplungen 100, 102, 110 und 112 gezeigt
werden, sollte es sich verstehen, dass es viele geeignete Formen
für diese
Kupplungen gibt, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, und
dass die bestimmte, für
eine spezifische Anwendung ausgewählte Form stark von den Parameters
der Anwendung abhängen
wird. Bei der illustrierten Ausführungsform
ist die Bodenplatte 86 eine massive Platte ohne alle Löcher oder
Perforationen. Eine zusätzliche
der Turbulatorplatten 58 ist zwischen der Deckplatte 84 und
einer obersten der Unterbaugruppen 36 eingeschoben, um
zwischen denselben einen Durchflusskanal 60 für das zweite
Fluid 34 zu definieren und um den Unterbaugruppen 36 eine
strukturelle Stütze
zu verleihen. Eine andere der Turbulatorplatten 58 ist
zwischen der Bodenplatte 86 und einer untersten der Unterbaugruppen 36 eingeschoben,
um zwischen denselben einen Durchflusskanal 60 für das zweite
Fluid 34 zu definieren und um den Unterbaugruppen 36 eine
strukturelle Stütze
zu verleihen. In dieser Hinsicht ist eine Erwägung beim Auswählen der
Dicke der Platten 84 und 86, dass sie ausreichend
dick sind, um die erforderliche strukturelle Stütze für die Unterbaugruppen 36 sowie
den Rest des Wärmeaustauschers 30 zu
gewährleisten.
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13 bis 16 zugewendet,
wird nun eine andere Ausführungsform
des Wärmeaustauschers 30 beschrieben,
wobei gleiche Zahlen gleiche Bestandteile anzeigen, wenn es nicht
weiter unten detaillierter erläutert
wird. Bei dieser Ausführungsform
des Wärmeaustauschers 30 sind
die Unterbaugruppen 36 aus einem Paar 41 von napfgezogenen Platten 120 und 122 geformt,
wobei jede der Platten 120 mehrere sich nach innen erstreckende
Kanäle hat,
die Vertiefungen 124 bilden, die mit der Innenfläche 126 der
zugeordneten Platte 122, die flach ist, zusammenpassen,
um die Durchflusskanäle 56 für das erste
Fluid 32 zu bilden. Wieder ist es vorzuziehen, dass die
Vertiefungen so bemessen sind, dass der hydraulische Durchmesser
der Durchflusskanäle 56 weniger
als 0,04 Zoll oder 1 mm beträgt.
Dementsprechend sollte zu erkennen sein, dass die Vertiefungen 124 in 15 und 16 stark übertrieben gezeigt
werden und dass die Höhe
der Vertiefungen sehr gering sein wird, um den gewünschten
kleinen hydraulischen Durchmesser zu gewährleisten. Wie bei den Rillen 54 von 2 bis 12 können die Vertiefungen 124 in
vielen unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet sein, um das
erste Fluid 32 von dem Einlassverteiler 50 zu
dem Auslassverteiler 52 durch den Wärmeaustauscher 30 zu
leiten.
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Vorzugsweise
schließt
jede der Platten 120 und 122 einen umlaufenden
Kranz oder Rand 128 ein, der geringfügig nach außen abgewinkelt ist, so dass
die Platten 120 und 122 und die Unterbaugruppen 36 in
dem zusammengebauten Zustand miteinander verschachtelt werden können, um
den Wärmeaustauscher 30 zu
bilden. Dies unterstützt
das Zusammenbauen und Hartlöten
des Wärmeaustauschers 30 und
steigert die Festigkeit jeder der Unterbaugruppen 36. Es
sollte ebenfalls zu erkennen sein, dass sowohl die Deckplatte 84 als
auch die Boden platte 86 einen ähnlichen Kranz 128 haben,
der während
des Zusammenbaus mit den Kränzen
der Unterbaugruppen verschachtelt werden kann.
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Wie
bei der Ausführungsform
von 2 bis 12 schließt diese Ausführungsform
Turbulatorplatten 58 (in 15 und 16 nur
eine teilweise an ausgewählten
Stellen gezeigt) und Unterlegscheiben 64 ein, die zwischen
allen Unterbaugruppen 36 verzahnt sind. Jedoch haben, wie
am besten in 15 und 16 zu
sehen ist, die Unterlegscheiben 64 nicht die ringförmige Stufe 65,
sondern werden statt dessen durch ringförmige Flansche oder Ränder 130,
welche die Öffnungen 46 und 48 umgeben
und sich von jeder der Platten 122 nach außen erstrecken,
im Verhältnis
zu den Unterbaugruppen 36 positioniert. Jeder der Ränder 130 wird
durch den Innendurchmesser einer zugeordneten der Unterlegscheiben 64 aufgenommen.
Außerdem
schließen
die Unterbaugruppen 36 die Öffnungen 66 und 68 ein, die
ausgerichtet sind, um die zweiten Einlass- und Auslassverteiler 70 und 72 zu
bilden, aber die Öffnungen 66 und 68 sind
an Stelle der länglichen
Form der Ausführungsform
von 1 bis 13 kreisförmig. Außerdem ist es vorzuziehen,
dass es, zusätzlich
zu der Hartlötverbindung
zwischen den Innenflächen
der Platten 120 und 122, welche die Öffnungen 66 und 68 umgeben,
eine an jeder der Öffnungen 66 und 68 geformte
mechanische Verbindung zwischen allen Platten 120 und 122 der
Unterbaugruppe 36 gibt, wie beispielsweise durch Rollen
der Kante der Öffnungen 66 und 68 der
einen der Platten 120, 122 über die entsprechende Kante
der Öffnung 66 und 68 der
anderen der Platten 120, 122, wie am besten in 15 und 16 zu
sehen ist, um die Abdichtung und die Festigkeit an den Öffnungen 66 und 68 zu steigern.
Es wird für
Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen sein, dass es viele mögliche mechanische Verbindungskonfigurationen
gibt, die mit dem Hartlöten
verträglich
sind und welche die Abdich tung und die Festigkeit an den Öffnungen 66 und 68 steigern werden.
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Wie
am besten in 15 und 16 zu
sehen ist, könnte,
während
gezeigt wird, dass sich die Anschlüsse 100, 102, 110 und 112 vom
Oberteil des Wärmeaustauschers 30 aus
erstrecken, durch Anbringen einer entsprechenden Öffnung in
der Bodenplatte 86 einer oder mehrere der Anschlüsse dazu gebracht
werden, sich vom Unterteil des Wärmeaustauschers 30 aus
zu erstrecken. Dies gilt ebenfalls für die Ausführungsform von 2 bis 12.
Es sollte ebenfalls zu erkennen sein, dass es beim Vergleich der
Ausführungsform
von 2 bis 12 mit der Ausführungsform
von 13 bis 16 viele
mögliche
Arten zum Anordnen der jeweiligen Anschlüsse 100, 102, 110 und 112 und
der zugeordneten Verteiler 50, 52, 70 und 72 gibt
und dass die für
die Ausführungsform
von 2 bis 12 gezeigten Positionen bei
der Ausführungsform
von 13 bis 16 verwendet
werden können
und umgekehrt. In dieser Hinsicht zeigen 17 und 18 einen
anderen möglichen
Aufbau für
die Kanalplatten 42 und 44, wobei sich die Rillen 54 in
einem fächerförmigen Muster von
jeder der Öffnungen 46 und 48 der
Platten 42 und 44 aus erstrecken. Es sollte ebenfalls
zu erkennen sein, dass die Platten 42 und 44 von 17 und 18 identisch
sind, wobei die Platte 42, 44 von 18 einfach
die umgekehrte und gedrehte Ansicht der Platte 42, 44 von 17 zeigt.
Wie am besten in 19 zu sehen ist, passen, wenn
die Platten 42 und 44 übereinander gelegt sind, die
Rillen 54 auf eine solche Weise zusammen, dass sie die
Durchflusskanäle 56 bilden,
die sich zwischen dem Öffnungen 46 und 48 erstrecken,
um das erste Fluid 32 zwischen denselben weiterzuleiten.
Es sollte zu erkennen sein, dass bei dieser Ausführungsform die Öffnungen 46, 48 und 66, 68 in
den äußeren Platten 38, 40 den
in 17, 18 und 19 gezeigten
Positionen entsprechen würden.
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Es
sollte ebenfalls zu erkennen sein, dass die Vertiefungen 124 in
der Platte 120 in den Ausführungsformen von 15 und 16 durch
die in 17 bis 19 gezeigten
Platten ersetzt werden könnten,
während
die Ränder
an jeder der napfgezogenen Platten 120 und 122 erhalten
blieben, so dass jede der napfgezogenen Platten 120 und 122 ein Äquivalent
zu den äußeren Platten 38 und 40 der Ausführungsform
von 2 bis 12 wird.
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Unter
Bezugnahme auf 20 und 21 werden
sehr schematische Darstellungen der zuvor beschriebenen Wärmeaustauscher 30 gezeigt,
wobei die Verstärkungen 62 in
der Form von zylindrischen Sammelrohren 140 bereitgestellt
werden, die sich mit einer satten oder engen Passung durch die jeweiligen Öffnungen 46 und 48 erstrecken,
so dass sie an die passenden Flächen
der Öffnungen 46 und 48 der
Unterbaugruppen 36 hartgelötet werden können, wodurch
sie die Platten der Unterbaugruppen 36 strukturell verstärken. Dann
werden die Verteiler 50 und 52 durch zylindrische
Bohrungen 142 innerhalb der Sammelrohre 140 definiert.
Wie in 20 zu sehen ist, können an
Positionen, die den Durchflusskanälen 56 entsprechen,
in jeder der Unterbaugruppen 36 Schlitze 144,
die sich von der Bohrung 142 zum Inneren des Rohrs 140 erstrecken,
bereitgestellt werden, um das Kältemittel 32 zu
und von den Verteilern 50 und 52 zu leiten. Wie
in 21 gezeigt, können die
Schlitze 144 durch eine durchgehende Öffnung 146 ersetzt
werden, was erfordert, dass die benachbarten Unterbaugruppen 36 an
jeder der Durchflussbahnen 60, welche die Öffnungen 46 und 48 umgeben,
eine abgedichtete Verbindung 148 bilden, um ein Auslaufen
des Kältemittels 32 in
die Durchflussbahnen 60 für das zweite Fluid 34 zu
verhindern.
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Vorzugsweise
werden die Wärmeaustauscher 30 zusammengebaut
und danach als zusammengebaute Einheit hartgelötet, wobei während des Hartlötvorgangs
eine gleich bleibende Klemmkraft auf den Stapel der Platten ausge übt wird,
um so die Qualität
der Hartlötung,
insbesondere an den zusammenpassenden Flächen der Platten, zu sichern.
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Es
sollte zu erkennen sein, dass die Kapazität der Wärmeaustauscher 30 verhältnismäßig einfach
durch Addieren oder Subtrahieren der Zahl von Unterbaugruppen 36 eingestellt
werden kann.
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Zusammenfassung
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Es
wird ein hartgelöteter
Plattenwärmetauscher
(30) zur Übertragung
von Wärme
zwischen einem ersten Fluid (32) und einem zweiten Fluid
(34) zur Verfügung
gestellt, wobei das erste Fluid (32) unter einem relativ
hohen Druck steht. Der Wärmetauscher
umfasst Plattenpaare (41), wobei jedes Paar (41)
eine Vielzahl von Durchflusskanälen
(56) für
das erste Fluid (32) definiert. Jeder Durchflusskanal (56) besitzt
eine hydraulischen Durchmesser, der kleiner als 1,0mm ist. Verstärkungen
(62) zwischen allen Plattenpaaren (41) werden
zur Verfügung
gestellt, die ausgerichtet sind mit Einlass- und Auslassöffnungen (46, 48),
um Einlass – und
Auslassverteiler (50, 52) zu definieren...