DE19635455B4

DE19635455B4 - Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19635455B4
Application number: DE1996135455
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Brenner; Herbert Dr.-Ing. Damsohn; Conrad Dr.-Ing. Pfender
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1996-08-31
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2016-09-01
Also published as: DE19635455A1

Abstract

Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren übereinandergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten, wobei
a) Strömungskanalplatten (1) mit einem oder mehreren nebeneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen (1a), die sich jeweils zwischen zwei Plattenseitenbereichen erstrecken, sowie mit Verbindungskanal-Durchbrüchen (1b), die von den Strömungskanal-Durchbrüchen getrennt angeordnet sind, und
b) Verbindungsabdeckplatten (2) vorgesehen sind, die wenigstens in zwei Plattenseitenbereichen angeordnete Verbindungskanal-Durchbrüche (2a-2d) aufweisen, wobei
c) die Strömungskanalplatten und die Verbindungsabdeckplatten abwechselnd so übereinandergestapelt sind, daß
c.1) keine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durchbrüchen zweier benachbarter Strömungskanalplatten besteht und daß
c.2) die seitengleichen Enden des oder der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungskanalplatte über überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platten mit den seitengleichen Enden des oder der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatte in Fluidverbindung stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) die Strömungskanalplatten (1) aus einem Kunststoffmaterial bestehen und die Verbindungsabdeckplatten mit jeweils einseitig oder beidseitig angefügten Strömungskanalplatten einzelne Zweifach- bzw. Dreifach-Kombiplatten bilden und die Zweifach-Kombiplatten übereinandergestapelt bzw. je eine...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff non Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Patentanspruch 3.
Die vorliegende Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung zu dem deutschen Patent DE 195 28 117 B4 als Hauptanmeldung. Der Inhalt dieser Hauptanmeldung dient als Basis für die vorliegende Anmeldung und wird daher zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen in vollem Umfang hierin durch Verweis aufgenommen.
In der Hauptanmeldung sind Wärmeübertrager der eingangs genannten Art beschrieben, welche die Merkmale a bis c.2 des Anspruchs 1 aufweisen. Diese Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellen und eignen sich zur getrennten Durchströmung mit wenigstens zwei Wärmeübertragungsfluiden, wobei ausreichend geringe Druckverluste, laminare Strömungsverhältnisse sowie ein zufriedenstellendes Wärmeübertragungsvermögen gewährleistet sind. Als eine mögliche Ausführungsform sind in der Hauptanmeldung sowohl die Strömungskanalplatten als auch die Verbindungsabdeckplatten einzeln als jewei lige Blechplatten mittels Stanzen, Laserstrahlschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Erodieren gebildet.

In der EP 0 503 080 A1 ist ebenfalls ein Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren übereinandergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten mit dazwischenliegenden Trennplatten beschrieben. Die Platten weisen Trennstege auf, die derart angeordnet sind, dass eine Verformung der Trennplatten aufgrund von Druckschwankungen innerhalb des Wärmeübertragers verhindert wird.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Wärmeübertragers mit Plattenstapelaufbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der relativ einfach und korrosionsfest sowie ggf. mit vergleichsweise geringem Gewicht herstellbar ist, sowie die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Wärmeübertragers zugrunde.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Wärmeübertragers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Bei diesem Wärmeübertrager ist speziell vorgesehen, die Strömungskanalplatten aus einem Kunststoffmaterial zu fertigen und jede Strömungskanalplatte zunächst an eine zugehörige Seite einer Verbindungsabdeckplatte anzufügen. Dadurch entstehen Kombiplatten aus je einer Verbindungsabdeckplatte, an die auf einer Seite oder beidseitig eine Strömungskanalplatte angefügt ist. Wie in der Hauptanmeldung angegeben, können die Verbindungsabdeckplatten einteilig oder als Doppelplatte aus je einer Verteilerplatte und einer Zwischenplatte realisiert sein.

Im Fall nur einseitiger Anfügung einer Strömungskanalplatte an eine jeweilige Verbindungsabdeckplatte werden dann die so gebildeten Zweifach-Kombiplatten in geeigneter Weise so übereinandergelegt, daß die Platten stapelstruktur derjenigen gemäß Hauptanmeldung entspricht. Analog werden bei doppelseitigem Anfügen je einer Strömungskanalplatte an eine Verbindungsabdeckplatte die so gebildeten Dreifach-Kombiplatten abwechselnd mit je einer zwischengefügten Verbindungsabdeckplatte ohne angefügte Strömungskanalplatte übereinandergestapelt. In jedem Fall ergeben sich für den fertigen Plattenstapel-Wärmeübertrager dieselben Eigenschaften und Vorteile hinsichtlich Durchströmbarkeit mit wenigstens zwei Wärmeübertragungsfluiden, wie sie in der Hauptanmeldung zum dortigen Wärmeübertrager angegeben sind. Darüber hinaus ermöglicht es die Wahl eines Kunststoffmaterials für die Strömungskanalplatten, den Wärmeübertrager äußerst korrosionsfest und mit relativ geringem Gewicht herzustellen. Im Vergleich zu einer Vollmetallausführung kann dadurch annähernd das halbe Gewicht eingespart werden.

Da der Wärmeaustausch zwischen den wenigstens zwei Wärmeübertragungsfluiden primär über die Verbindungsabdeckplatten erfolgt, hat die Wahl eines Kunststoffmaterials für die Strömungskanalplatten keine merklich nachteiligen Auswirkungen auf die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmeübertragers. Zur Gewährleistung einer hohen Wärmeübertragungsfähigkeit genügt vielmehr die Verwendung eines hoch wärmeleitfähigen Materials für die Verbindungsabdeckplatten, wie z. B. Edelstahl, Hastelloy, Al Cu, Ag oder dergleichen. Falls dies im jeweiligen Anwendungsfall für die Wärmeübertragungsleistung ausreicht, können aber auch Verbindungsabdeckplatten aus Kunststoff verwendet werden, die beispielsweise als Kunststoffspritzteil gefertigt sind.

In Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 bzw. 4 erfolgt das Anfügen der Strömungskanalplatten einseitig an alle oder beidseitig an die eine Hälfte der Verbindungsabdeckplatten direkt durch Anspritzen in Kunststoffspritztechnik oder alternativ durch Ankleben oder Anvulkanisieren vorgefertigter Strömungskanalplatten. In letzterem Fall können die Strömungska nalplatten als Kunststoffspritzteile und/oder als Folienteile gefertigt sein, die an die zugehörige Seite einer Verbindungsabdeckplatte angeklebt oder anvulkanisiert werden. Als geeignete, spritztechnische verarbeitbare Kunststoffmaterialien eignen sich für die Bereitstellung der Strömungskanalplatten beispielsweise Polyolefine, PTFE, Polysulfone, Polyamide und Elastomere.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Wärmeübertragers mit einem Plattenstapelaufbau aus Zweifach-Kombiplatteneinheiten und
2 eine Perspektivansicht des Wärmeübertrager-Plattenstapels gemäß 1 in teilweise weggebrochener Darstellung.
Der in den 1 und 2 gezeigte Wärmeübertrager besitzt einen Plattenstapelaufbau 5, der demjenigen der 1 bis 3 gemäß Hauptanmeldung hinsichtlich der Kanalstruktur der einzelnen Platteneinheiten und damit strömungstechnisch entspricht. Im Unterschied zum dort beschriebenen Beispiel bestehen jedoch vorliegend die einteiligen Strömungskanalplatten 1 aus einem Kunststoffmaterial und sind zusammen mit je einer zugehörigen, einteiligen Verbindungsabdeckplatte 2 integriert in Form einer jeweiligen Zweifach-Kombiplatteneinheit 3 vorgefertigt.
Zum Erzeugen einer Zweifach-Kombiplatteneinheit 3 wird zunächst eine Verbindungsabdeckplatte 2 als Blechplatte bereitgestellt, die mittels Stanzen, Laserstrahlschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Erodieren mit langgestreckten, vor den Plattenendbereichen endenden Verbindungskanal-Durchbrüchen 2a bis 2d entlang jedes ihrer vier Seitenbereiche sowie mit vier Spannanker-Bohrungen 4a bis 4d in ihren Eckbereichen versehen ist. Der mittige Verbindungsabdeckplattenbereich ist nicht durchbrochen und bildet somit einen Abdeckbereich. Auf eine Seite einer jeden Verbindungsabdeckplatteneinheit 2 wird dann eine zugehörige Strömungskanalplatte 1 aus einem Kunststoffmaterial mittels Kunststoffspritztechnik angespritzt. Geeignete Kunststoffmaterialien hierfür sind z. B. Polyolefine, PTFE, Polysulfone, Polyamide und Elastomere. Die angespritzten Strömungskanalplatten 1 beinhalten eine Mehrzahl von parallel aneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen 1a, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen erstrecken und jeweils in die dort befindlichen Verbindungskanal-Durchbrüche 2a, 2c der Verbindungsabdeckplatte 2 münden. An diese Reihe von Strömungskanal-Durchbrüchen 1a schließt sich beidseits und parallel zu den Strömungskanal-Durchbrüchen 1a verlaufend jeweils ein langgestreckter Verbindungskanal-Durchbruch 1b an, der mit den seitengleichen Verbindungskanal-Durchbrüchen 2b, 2d der Verbindungsabdeckplatte 2 fluchtet. In den Platteneckbereichen besitzt die angespritzte Strömungskanalplatte 1 wiederum je eine Spannanker-Durchführungsöffnung.
Damit steht in sehr einfacher Weise eine Zweifach-Kombiplatteneinheit 3 zur Verfügung, bei der die Strömungskanalplatte 1 mit der gewünschten Struktur an eine Seite der metallischen Verbindungsabdeckplatte 2 angespritzt ist. Zur Bildung des fertigen Plattenstapelaufbaus 5 des Kreuzstrom-Wärmeübertragers, wie er in 1 oben gezeigt ist, wird nun jeweils eine Zweifach-Kombiplatteneinheit um 90° verdreht auf eine darunterliegende Kombiplatteneinheit zur Bildung eins Kombiplattenpaares 3a aufeinandergelegt, aus denen dann der Wärmeübertrager-Plattenstapel 5 durch Aufeinanderlegen einer gewünschten Anzahl von Kombiplattenpaaren 3a gebildet wird. Dabei liegt die eine Kombiplatteneinheit mit ihrer auf ihre Verbindungsabdeckplatte 2 aufgespritzten Strömungskanalplatte 1 gegen die Verbindungsabdeckplatte 2 der anderen Kombiplatteneinheit an, so daß sich im Plattenstapel 5 die Verbindungsabdeckplatten 2 mit den jeweils angespritzten Strömungskanalplatten 1 abwechseln.
Wie aus 2 noch deutlicher zu erkennen, realisiert der so gebildete Plattenstapel 5 einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager, bei dem ein erstes Fluid durch die zueinander parallelen Strömungskanal-Durchbrüche 1a einer ersten Hälfte übernächster, angespritzter Strömungskanalplatten hindurchgeführt wird, wobei zwei gegenüberliegende Sätze 6, 7 von in Plattenstapelrichtung fluchtenden Verbindungskanal-Durchbrüchen als zugehöriger Verteiler- bzw. Sammelkanal fungieren. Ein zweites Fluid wird im Kreuzstrom dazu durch die Strömungskanal-Durchbrüche 1a der anderen Hälfte übernächster Strömungskanalplatten hindurchgeleitet, wobei zwei weitere Sätze 8, 9 von gegenüberliegenden, in Plattenstapelrichtung fluchtenden Verbindungskanal-Durchbrüchen als zugehöriger Verteiler- bzw. Sammelkanal vorgesehen sind. Zugehörige Anschlußeinheiten, beispielsweise in Form von Anschlußplatten, sind in 2 der Übersichtlichkeit halber weggelassen, es kann hierzu auf die Beschreibung in der Hauptanmeldung verwiesen werden. Ersichtlich erfolgt der Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden hauptsächlich über den mittigen, nicht durchbrochenen Abdeckbereich der Verbindungsabdeckplatten, die dementsprechend aus einem Material mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Alternativ zu der gezeigten Bildung des Plattenstapelaufbaus 5 aus identischen, jedoch jeweils abwechselnd um 90° verdreht übereinandergestapelten, vorgefertigten Zweifach-Kombiplatteneinheiten kann vorgesehen sein, zunächst mit einer Hälfte der vorgefertigten Verbindungsabdeckplatten Dreifach-Kombiplatteneinheiten zu erzeugen, indem an diese Hälfte der Verbindungsabdeckplatten beidseitig jeweils eine Strömungskanalplatte aus Kunststoff angespritzt wird. Für die Realisierung einer Kreuzstromstruktur verlaufen die Strömungskanal-Durchbrüche dieser beiden angespritzten Strömungskanalplatten senkrecht zueinander. Ein zu dem gezeigten strömungstechnisch analoger Plattenstapelaufbau wird dann dadurch realisiert, daß abwechselnd jeweils eine Dreifach-Kombiplatteneinheit und eine Verbin dungsabdeckplatte ohne angespritzte Strömungskanalplatte übereinandergestapelt werden.
Als weitere Modifikation kann anstelle des beschriebenen, direkten ein- oder beidseitigen Anspritzens einer Strömungskanalplatte an eine Verbindungsabdeckplatte vorgesehen sein, die Strömungskanalplatten als separate Bauteile, beispielsweise in Kunststoffspritztechnik, vorzufertigen und dann an eine zugehörige Verbindungsabdeckplatte zur Erzeugung der gewünschten Kombiplatteneinheit mittels Kleben oder Vulkanisieren anzufügen. So können z. B. die Strömungskanalplatten als dünne Kunststoffolien vorgefertigt sein, die ein- oder beidseitig auf eine aus metallischem Werkstoff vorgefertigte Verbindungsabdeckplatte aufgeklebt werden.
Der gesamte Plattenstapel 5 des Wärmeübertragers kann mechanisch mittels Spannankern zusammengehalten werden, die durch die zugehörigen Öffnungen in den Plattenstapeleckbereichen durchgeführt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, den gesamten Plattenstapelaufbau 5 zwecks Fixierung der einzelnen Kombiplatteneinheiten 3 aneinander mit einem geeigneten Kunststoffmaterial zu umspritzen, vorzugsweise demjenigen der angespritzten Strömungskanalplatten 1. Als weitere Alternative kommt ein Zusammenfügen der einzelnen Kombiplatteneinheiten 3 mittels Kleben oder Vulkanisieren in Betracht.
Die Verwendung eines Kunststoffmaterials für die Strömungskanalplatten ermöglicht die Bereitstellung äußerst korrosionsfester Plattenstapel-Wärmeübertrager mit vergleichsweise geringem Gewicht.

Claims

Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren übereinandergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten, wobei a) Strömungskanalplatten (1) mit einem oder mehreren nebeneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen (1a), die sich jeweils zwischen zwei Plattenseitenbereichen erstrecken, sowie mit Verbindungskanal-Durchbrüchen (1b), die von den Strömungskanal-Durchbrüchen getrennt angeordnet sind, und b) Verbindungsabdeckplatten (2) vorgesehen sind, die wenigstens in zwei Plattenseitenbereichen angeordnete Verbindungskanal-Durchbrüche (2a-2d) aufweisen, wobei c) die Strömungskanalplatten und die Verbindungsabdeckplatten abwechselnd so übereinandergestapelt sind, daß c.1) keine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durchbrüchen zweier benachbarter Strömungskanalplatten besteht und daß c.2) die seitengleichen Enden des oder der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungskanalplatte über überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platten mit den seitengleichen Enden des oder der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatte in Fluidverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß d) die Strömungskanalplatten (1) aus einem Kunststoffmaterial bestehen und die Verbindungsabdeckplatten mit jeweils einseitig oder beidseitig angefügten Strömungskanalplatten einzelne Zweifach- bzw. Dreifach-Kombiplatten bilden und die Zweifach-Kombiplatten übereinandergestapelt bzw. je eine Dreifach-Kombiplatte und eine Verbindungsabdeckplatte abwechselnd übereinandergestapelt sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Strömungskanalplatte (1) an die betreffende Seite einer zugehörigen Verbindungsabdeckplatte (2) direkt angespritzt oder als separate Platte angeklebt oder anvulkanisiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bereitstellen von Verbindungsabdeckplatten (2), die wenigstens in zwei Plattenseitenbereichen angeordnete Verbindungskanal-Durchbrüche (2a-2d) aufweisen, – Erzeugen von Zweifach- oder Dreifach-Kombiplatteneinheiten (3) durch ein- oder beidseitiges Anfügen je einer Kunststoff-Strömungskanalplatte (1) mit einem oder mehreren nebeneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen (1a), die sich jeweils zwischen zwei Plattenseitenbereichen erstrecken, sowie mit Verbindungskanal-Durchbrüchen (1b), die von den Strömungskanal-Durchbrüchen getrennt angeordnet sind, an eine zugehörige Verbindungsabdeckplatte (2) und – Übereinanderstapeln der verschiedenen Zweifach-Kombiplatteneinheiten (3) bzw. abwechselnd je einer Dreifach-Kombiplatteneinheit und einer Verbindungsabdeckplatte derart, daß – keine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durchbrüchen zweier benachbarter Strömungskanalplatten besteht und daß – die seitengleichen Enden des oder der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungskanalplatte über überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platten mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatte in Fluidverbindung stehen.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Anfügen der jeweiligen Strömungskanalplatte (1) an die betreffende Seite einer zugehörigen Verbindungsabdeckplatte (2) durch direktes Anspritzen derselben oder durch Ankleben oder Anvulkanisieren einer vorgefertigten Kunststoff-Strömungskanalplatte erfolgt.