DE19639115C2 - Plattenförmiges Wärmeübertragerelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein plattenförmiges Wärmeübertragere­ lement mit einem oder mehreren lateral voneinander separierten, im Platteninneren im wesentlichen plattenebenenparallel zwischen jeweili­ gen Einlass- und Auslassstellen verlaufenden Strömungskanälen. Derar­ tige Wärmerübertragerelemente werden beispielsweise bei Wärmeü­ bertragern in Kraftfahrzeugen eingesetzt, z. B. in Fahrzeugklimaanlagen oder als Kühlelemente zur Batteriekühlung.

In den deutschen nicht vorveröffentlichten Anmeldungen DE 195 28 116 A1 und DE 195 28 117 A1 werden plattenförmige Wärmeübertragerelemente dieser Art vor­ geschlagen, die aus mehreren ebenen, gestanzten, aufeinandergesta­ pelten Einzelplatten bestehen, die vorzugsweise durch Löten miteinan­ der verbunden sind. Dabei muss durch eine sorgfältige, gleichmäßige Temperaturführung beim Löten die erforderliche Ebenheit der Einzelplat­ ten eingehalten werden, was entsprechenden Aufwand erfordert.

In der Offenlegungsschrift DE 44 38 393 A1 ist ein Plattenwärme­ übertrager offenbart, bei dem zwischen je zwei Platten eines Plattensta­ pels längs ihres Randes sowie um Ein- und Auslassöffnungen für die Wärmeübertragungsmedien herum Dichtungen angeordnet sind, die für jeden zweiten Plattenzwischenraum elastisch ausgebildet sind, während es sich für die übrigen Plattenzwischenräume um mit einer jeweils be­ nachbarten Platte verschweißte Metalldichtungen aus hartem Stangen­ material handelt, das über seine Länge an den der Verschweißung un­ terliegenden Seiten mit wenigstens einem den Sollquerschnitt der Dich­ tung übersteigenden Querschnittszusatz geringer Breite aus Metall ver­ sehen ist. Dabei ist das Stangenmaterial einer Dichtung mit den angren­ zenden Platten mittels einer einzigen, gemeinsamen elektrischen Wider­ standspressschweißung unter Aufzehrung des Querschnittszusatzes verbunden. Vorzugsweise sind die Dichtungen in Nuten eingesetzt, die im Plattenstapel fluchtend übereinander liegen. Im Platteninneren wei­ sen die Platten eine gewellte, fischgrätenförmige Strukturierung auf, wo­ bei je zwei benachbarte Platten mit gegensinnigen Strukturierungen an­ einandergelegt sind, so dass sich die Platten im Platteninneren punktuell an den sich berührenden Kreuzungsstellen der gegensinnig aneinander­ liegenden Fischgrätenstrukturen abstützen.

In der Offenlegungsschrift DE 44 31 413 A1 ist ein ähnlicher Plattenwärme­ übertrager aus einem Stapel von Platten mit fischgrätenartigen Struktu­ rierungen offenbart, die sich kreuzend gegeneinander angelegt sind. Bei diesem Plattenwärmeübertrager sind an wenigstens einigen Kreuzungs­ punkten Lochungen in die sich an diesen Stellen berührenden Fischgrä­ tenstrukturen eingebracht, um einer Blasenbildung für ein hindurchge­ führtes Wärmeübertragungsmedium zu verhindern. Um die Lochungen herum verhindert eine jeweilige Schweißnaht, dass das betreffende Wärmeübertragungsmedium in die Kanäle für ein anderes Wärmeüber­ tragungsmedium gelangt. Im übrigen sind die Platten auch an den anderen Kreuzungspunkten der Fischgrätenstrukturen verschweißt, um die Druckfestigkeit zu steigern.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines plattenförmigen Wärmeübertragerelementes der eingangs genannten Art zugrunde, das mit vergleichsweise geringem Aufwand besonders auch in Serie und mit einem Längen/Dicken-Verhältnis größer 500 mit zuverlässigen Funktionseigenschaften herstellbar ist.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines plattenförmigen Wärmeübertragerelementes mit den Merk­ malen des Anspruchs 1. Dieses Wärmeübertragerelement setzt sich aus zwei Blechplatten zusammen, von denen wenigstens ei­ ne Schweißverbindungsstege aufweist, die von einer Hauptseite der Platte vorstehen. Die Blechplatten sind strömungskanal­ bildend aneinandergelegt und längs der Schweißverbindungsste­ ge fluiddicht und druckfest zusammengeschweißt. Vorzugsweise sind beide Blechplatten mit Schweißverbindungsstegen versehen und liegen längs derselben aneinander an. Dabei sind die bei­ den Blechplatten vorzugsweise im wesentlichen, d. h. ggf. mit Ausnahme der Bereiche von Einlaß- und Auslaßstellen, bau­ gleich.

Dieses Wärmeübertragerelement ist problemlos mit den meisten metallischen Werkstoffen realisierbar, die für Wärmeübertra­ ger in Betracht kommen. Insbesondere ist als Werkstoff auch ein warmfester Stahl verwendbar. Hinsichtlich des Verlaufs des oder der Strömungskanäle ergeben sich kaum Beschränkun­ gen. Mit der vorliegenden Erfindung sind Wärmeübertragerele­ mente mit feingliedrigen oder großflächigen Kanalstrukturen in gleichem Maße mit verhältnismäßig geringem Aufwand und niedrigem Gewicht herstellbar. Gegenüber den herkömmlichen Ausführungen mit gestanzten Einzelplatten entfällt die strö­ mungskanalbildende Einzelplatte, vielmehr werden die Strö­ mungskanäle durch die Abschnitte der Blechplatten zwischen benachbarten, geschweißten Stegverbindungen gebildet. Dies vereinfacht den Fertigungsaufwand. Durch das Zusammenschwei­ ßen der beiden Blechplatten erübrigt sich eine Lot-Anbringung beispielsweise durch Galvanik oder Plattierung. Korrosions­ probleme durch verschiedene Materialien von Lot einerseits und Blechplatte andererseits sowie Festigkeitsverluste durch den Lötvorgang entfallen dadurch ebenso. Ein Anschweißen von Anschlußrohren ist ohne Schwierigkeiten möglich, während bei den herkömmlichen Elementen mit aneinandergelöteten Einzel­ platten Lot im Umfeld der Schweißnaht unerwünscht ist, da es zu schlechten Schweißnähten führt. Das vorliegende Wärmeüber­ tragerelement läßt sich ausreichend druckfest, relativ ein­ fach und kostengünstig auch in Serie selbst mit einem Län­ gen/Dicken-Verhältnis von größer 500 fertigen.

Ein nach Anspruch 2 weitergebildetes Wärmeübertragerelement beinhaltet zwei Blechplatten, die beide mittels Umformen mit korrespondierenden Schweißverbindungsstegen versehen und ent­ lang derselben miteinander verschweißt sind.

Ein nach Anspruch 3 weitergebildetes Wärmeübertragerelement besteht aus zwei Blechplatten, die jeweils einem Innenhoch­ druckumformvorgang unterzogen und anschließend zusammenge­ schweißt werden. Dieser Umformvorgang ermöglicht die Erzie­ lung verzugsarmer Blechplatten, die anschließend mit sehr gu­ ter, definierter Ebenheit qualitätssicher geschweißt werden können.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Wärmeübertragere­ lement erfolgt das Zusammenfügen der beiden Blechplatten mit­ tels eines Laserschweißvorgangs. Dieses Schweißverfahren be­ wirkt, daß nur ein minimaler Energieeintrag mit möglichst pa­ ralleler Wärmeeinflußzone eingebracht wird, so daß sich die Blechplatten nicht merklich verziehen. Die Qualität der Schweißnaht wird im übrigen durch die Gleichmäßigkeit der Schweißnahtform bestimmt, wozu ein geringer Luftspalt und die Abführung sogenannter Schleierwärme durch gut wärmeleitende Schweißvorrichtungen beitragen, mit denen die beiden Blech­ platten gleichzeitig unter mechanischer Vorspannung gegenein­ andergedrückt gehalten werden. Der geringe Luftspalt läßt sich während des Schweißprozesses insbesondere dann einhal­ ten, wenn die Blechplatten durch Umformverfahren gefertigt werden, die möglichst wenig Eigenspannungen in das umgeformte Werkstück einbringen. Mögliche Umformverfahren sind solche, die Ziehwerkzeuge mit optimierten Niederhaltern oder Gummi- Ziehkissen beinhalten, sowie vorzugsweise das obengenannte Innenhochdruckumformen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes, zur Batteriekühlung verwendbares, plattenförmiges Wärmeübertragerelement,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II von Fig. 1

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein zweites, zur Batteriekühlung verwendbares, plattenförmiges Wärmeübertragerelement,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein drittes, zur Batteriekühlung verwendbares, plattenförmiges Wärmeübertragerelement und

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein viertes, zur Batteriekühlung verwendbares, plattenförmiges Wärmeübertragerelement.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein plattenförmiges, rechteckiges Wärmeübertragerelement, das beispielsweise als Kühlelement für die Kühlung von Hochtemperaturbatterien in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann. Das Wärmeübertragerelement beinhaltet einen einzigen, U-förmigen Strömungskanal 1, der plattenebe­ nenparallel und symmetrisch zur Plattenlängsachse zwischen ei­ ner Einlaßstelle 2 und einer Auslaßstelle 3 verläuft, die sich mit ausreichendem lateralem Abstand im Bereich einer Schmal­ seite des Plattenelementes befinden. Ein über die Einlaßstelle 2 zugeführtes Kühlfluid strömt durch den U-förmigen Strömungs­ kanal 1 im Platteninneren des Wärmeübertragerelementes und nimmt dabei über die Wandungen des Wärmeübertragerelementes Wärme von dem außen an das Wärmeübertragerelement angrenzenden Medium, z. B. einer Batteriezelle, auf, bevor es das Wärmeübertragerelement über die Auslaßstelle 3 wieder verläßt. Die aus­ trittsseitige Hälfte des Strömungskanals 1 ist von dessen ein­ trittsseitiger Hälfte mit Ausnahme des sie verbindenden Plat­ tenschmalseitenbereichs durch einen Hohlkanal 8 thermisch weitgehend getrennt, so daß das der Abflußstelle 3 zugeführte, erwärmte Kühlfluid keine Erwärmung des an der Einlaßstelle 2 eingebrachten, kalten Kühlfluids verursacht.

Das Wärmeübertragerelement besteht aus zwei baugleichen Blechplatten 4, 5 aus einem gut wärmeleitfähigen, warmfesten Stahlmaterial. Jede der beiden Blechplatten 4, 5 ist mittels hydraulischer Innenhochdruckumformung aus einer ebenen Roh­ blechplatte dergestalt gefertigt, daß auf einer Hauptseite vorstehende Schweißverbindungsstege 4a, 5a als Sicken heraus­ geprägt sind. Im vorliegenden Fall sind dies vier in Querrich­ tung voneinander beabstandete, längsverlaufende Sicken 4a, 5a, die jeweils in den Plattenschmalseitenbereichen zu einem durchgehenden Sickenpfad verbunden sind. Die Sicken beider Blechplatten 4, 5 sind paarweise zu Stegverbindungen 6 zusam­ mengeschweißt, die gleichzeitig als laterale Begrenzungen des U-förmigen Strömungskanals 1 fungieren.

Zur Bildung des Wärmeübertragerelementes werden die beiden Blechplatten 4, 5 mit denjenigen Hauptseiten, von denen die Sicken 4a, 5a vorstehen, aneinandergelegt, so daß sie sich längs der Sicken 4a, 5a berühren. Ein an der jeweiligen Blech­ platte 4, 5 an einem Schmalseitenbereich angeformter Anschluß­ stutzen dient an der einen Blechplatte 4 als Einlaßstelle 2 und an der anderen Blechplatte 5 als Auslaßstelle 3. Während sich die Einlaßstelle 2 auf der einen Hauptseite des Wärme­ übertragerelementes befindet, liegt die Auslaßstelle 3 wegen des um 180° bezüglich der Plattenlängsachse 7 verkippten An­ einanderlegens der beiden Blechplattenteile 4, 5 auf der ande­ ren Hauptseite des Wärmeübertragerelementes und hält gleich­ zeitig den erforderlichen Querabstand zur Einlaßstelle 2 entsprechend der U-förmigen Kühlfluidführung durch das Plattenin­ nere ein.

Anschließend werden die beiden aneinandergelegten Blechplatten 4, 5 längs der Sicken 4a, 5a und damit längs eines durchgehen­ den Schweißverbindungspfades fluiddicht und fest mittels La­ serschweißen zusammengefügt, wobei die Blechplatten 4, 5 durch mechanische Vorspannung gegeneinandergedrückt gehalten werden. Dieses Schweißverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß konzen­ triert wenig Energie mit weitestgehend paralleler Wärmeein­ flußzone eingebracht wird, so daß sich die Blechplatten 4, 5, die unter der mechanischen Vorspannung ihre durch den Umform­ vorgang definierte Ebenheit beibehalten, nicht merklich ver­ ziehen. Die Qualität der durchgängigen Schweißnaht 6 wird im übrigen durch die Gleichmäßigkeit der Schweißnahtform be­ stimmt, die durch den sehr geringen Luftspalt und die gute Ab­ führung der sogenannten Schleierwärme durch entsprechend gut wärmeleitende Teile der Schweißvorrichtung erzielt wird, mit denen die Blechplatten 4, 5 unter Vorspannung gehalten werden. Der geringe Luftspalt während des Schweißprozesses wird durch die mit dem Innenhochdruckumformvorgang erzielte, definierte Ebenheit bei gleichzeitiger Spannungsarmut der beiden Blech­ platten 4, 5 gewährleistet.

Ersichtlich entsteht die gewünschte Strömungskanalstruktur für das Wärmeübertragerelement vorliegend automatisch dadurch, daß die das Wärmeübertragerelement bildenden Blechplatten 4, 5 durch Umformen mit den vorstehenden Sicken 4a, 5a versehen und längs der gegeneinanderliegenden Sicken verschweißt werden, so daß die zwischenliegenden, voneinander beabstandeten Abschnit­ te der beiden Blechplatten 4, 5 die gewünschte Kanalstruktur bereitstellen. Auf diese Weise läßt sich das Wärmeübertrager­ element vergleichsweise einfach herstellen und besitzt auf­ grund der Verwendung des spannungsarmen Umformverfahrens und der verzugsarmen Schweißtechnik eine hohe Funktionszuverläs­ sigkeit bei der späteren Verwendung. Dies gilt in gleicher Weise auch für jedes andere erfindungsgemäße Wärmeübertrager­ element, wobei eine definierte Ebenheit durch gezielte Prozeß­ kontrolle hinsichtlich Umformverfahren, Schweiß-Spannvorrich­ tung, Schweißparameter und Schweißfolge erzielt werden kann. Neben dem Innenhochdruckumformen können alternativ Ziehwerk­ zeuge mit optimierten Niederhaltern oder Gummi-Ziehkissen ein­ gesetzt werden. Das Anbringen von Lot und damit verbundene Korrosionsgefahren oder Festigkeitsverluste entfallen. Erfin­ dungsgemäße Wärmeübertragerelemente sind damit ohne weiteres auch in einem Längen/Dicken-Verhältnis größer 500 realisier­ bar.

Weitere erfindungsgemäße Wärmeübertragerelemente, die nach dem gleichen Verfahren, wie zu den Fig. 1 und 2 beschrieben, mittels Umformen zweier Blechplattenteile und Fügen derselben mittels Laserschweißen hergestellt werden können, sind in den Fig. 3 bis 5 dargestellt.

Das rechteckförmige Wärmeübertragerelement von Fig. 3 beinhal­ tet eine sich jeweils auf Höhe der Quermittelebene 11 verzwei­ gende Strömungskanalstruktur 10. Von einer in einem Eckbereich des Plattenelementes angeordneten Einlaßstelle 9 geht zunächst ein einzelner Strömungspfad 10a in Längsrichtung ab und ver­ zweigt sich auf Höhe der Quermittelebene 11 in zwei parallele Pfade 10b, 10c, die sich nach U-förmiger Umlenkung an der der Einlaßstelle 9 gegenüberliegenden Plattenschmalseite nach Er­ reichen der Quermittelebene 11 wiederum in je zwei Pfade auf­ teilen. Dabei verbreitert sich jeder Strömungspfadabschnitt 10a, 10b, 10c längs seines Strömungsweges kontinuierlich, bis die austrittsseitigen vier Strömungspfadabschnitte in eine als Sammelkanal mit entsprechender Breite ausgebildete Abflußstel­ le 12 einmünden.

Diese Strömungskanalstruktur 10 hat zum einen die erwünschte Eigenschaft, daß sich die Wärmekontaktfläche für das hindurch­ geführte Kühlfluid längs des Strömungsweges vergrößert, so daß längs des Strömungsweges eine gleichmäßige Wärmeübertragung trotz der Tatsache bewirkt werden kann, daß die Temperaturdif­ ferenz zwischen Kühlfluid und zu kühlendem Medium längs des Kühlfluidströmungsweges abnimmt. Zum anderen ermöglicht diese Strömungskanalstruktur eine verhältnismäßig gleichförmige Flä­ chenbelegung durch die geschweißten Stegverbindungen 21, wel­ che die einzelnen Strömungspfadabschnitte 10a, 10b, 10c von­ einander trennen und gleichzeitig die beiden das Wärmeübertra­ gerelement bildenden Blechplatten über die gesamte Plattenflä­ che hinweg gleichmäßig zusammengeschweißt halten.

Fig. 4 zeigt ein Wärmeübertragerelement, das durch Umformen und Zusammenschweißen zweier Blechplatten dergestalt gefertigt ist, daß es fünf Einzelelemente 13 nach Art von Fig. 3 neben­ einanderliegend umfaßt. In nicht näher gezeigter Weise bein­ haltet jedes Einzelelement 13 eine Einlaßstelle und eine Aus­ laßstelle mit gegenüber der Einlaßstelle geringerem Durch­ trittsquerschnitt, entsprechend dem Element von Fig. 3. Über ein Verteilerrohr 14 sind die Einlaßstellen der verschiedenen Einzelelemente 13 parallel miteinander verbunden, während ana­ log deren Auslaßstellen über ein Sammelrohr 15 in paralleler Fluidverbindung miteinander stehen. Bei der Fertigung können das Verteilerrohr 14 und das Sammelrohr 15 zunächst an der be­ treffenden Blechplatte angebracht und anschließend die beiden das Wärmeübertragerelement bildenden Blechplatte miteinander verschweißt werden. Verteilerrohr 14 und Sammelrohr 15 können sich je nach Anwendungsfall an der gleichen Blechplatte und damit auf derselben Seite des Wärmeübertragerelementes oder an verschiedenen Blechplatten und damit auf gegenüberliegenden Hauptseiten des Wärmeübertragerelementes befinden.

Das in Fig. 5 gezeigte Wärmeübertragerelement entspricht in seinem Aufbau im wesentlichen demjenigen von Fig. 4, d. h. es umfaßt nebeneinanderliegend fünf gleichartige Einzelelemente 16 nach Art von Fig. 3 mit je einem eigenen, sich mehrfach verzweigenden Strömungskanal 17, der sich von einer Einlaßstelle 18 U-förmig sich verbreiternd und wiederholt verzwei­ gend zu einer auf der gleichen Plattenschmalseite wie die Ein­ laßstelle 18 gelegenen Auslaßstelle 19 mit gegenüber der Ein­ laßstelle 18 größerem Durchtrittsquerschnitt erstreckt. Im Un­ terschied zum Wärmeübertragerelement von Fig. 4 ist dasjenige von Fig. 5 von langgestreckterer Form. Ein in gleicher Weise wie in Fig. 4 die Einlaßstellen 18 verbindendes Verteilerrohr und die Auslaßstellen 19 verbindendes Sammelrohr sind in Fig. 5 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Das Wärmeübertra­ gerelement von Fig. 5 besitzt beispielsweise eine Länge von ca. 90 cm bei einer typischen Blechdicke zwischen 0,1 mm und 1 mm. Die über die gesamte Plattenfläche hinweg relativ gleich­ mäßige Verteilung der als Strömungskanaltrennstege fungieren­ den, geschweißten Stegverbindungen 20 gewährleistet, daß die beiden Blechplatten, welche das Wärmeübertragerelement bilden, ganzflächig ohne beeinträchtigende Verzugserscheinungen zusam­ mengeschweißt gehalten werden, wozu wiederum der spezielle Um­ formvorgang in Verbindung mit dem anschließenden Laserschwei­ ßen beitragen.

Es versteht sich, daß neben den oben beschriebenen weitere Wärmeübertragerelemente mit modifizierten Strömungskanalstruk­ turen realisierbar sind. Des weiteren kann ein Wärmeüber­ trageraufbau vorgesehen sein, bei dem mehrere plattenförmige Wärmeübertragerelemente senkrecht zur Plattenebene mit Abstand nebeneinanderliegend angeordnet sind, denen das jeweilige Wär­ meübertragerfluid parallel oder in Serie zugeführt wird. Außer zur Kühlung von Fahrzeugbatterien kann das erfindungsgemäße Wärmeübertragerelement folglich überall dort eingesetzt wer­ den, wo Bedarf an einem flächig mittels Durchführen eines Fluides kühlenden oder wärmenden, plattenförmigen Wärmeüber­ trager besteht.

Claims (4)

1. Plattenförmiges Wärmeübertragerelement mit zwei zusammengefüg­ ten Blechplatten, mit einem oder mehreren lateral voneinander beab­ standeten, zwischen den beiden Platten im wesentlichen plattenebe­ nenparallel zwischen jeweiligen Einlass- und Auslassstellen verlau­ fenden Strömungskanälen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Blechplatten von einer Hauptfläche vorstehende, zwischen den beiden Platten verteilt angeordnete und linienförmig verlaufende Schweißverbindungsstege aufweist, längs derer die Blechplatte fluid­ dicht und druckfest mit der zweiten Blechplatte zusammengeschweißt ist, wobei die geschweißten Stegverbindungen gleichzeitig als late­ rale Strömungskanalbegrenzungen dienen.

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2. Plattenförmiges Wärmeübertragerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechplatten (4, 5) beide mittels eines jeweiligen Umformvorgangs zur Bildung zu­ einander passender Muster der von einer Hauptseite vorstehen­ den Schweißverbindungsstege (4a, 5a) gefertigt und längs ihrer gegeneinanderliegenden Schweißverbindungsstege mittels des Schweißvorgangs zusammengefügt sind.

3. Plattenförmiges Wärmeübertragerelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechplatten (4, 5) mittels eines Innenhochdruckumformvorgangs zur Bildung der Schweißverbindungsstege (4a, 5a) als herausgeprägte Sicken ge­ fertigt sind.

4. Plattenförmiges Wärmeübertragerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei­ den Blechplatten mittels eines Laserschweißvorgangs zusammen­ geschweißt sind.