DE19815218A1 - Schichtwärmeübertrager - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schichtwärmeübertrager mit einem aus aufeinandergelegten Platten (5) gebildeten Schichtstapel (1), der eine oder mehrere getrennte Gruppen von parallel durchströmbaren Strömungskanälen (4) beinhaltet, wobei die Strömungskanäle einer jeweiligen Gruppe jeweils endseitig gemeinsam in einen seitlich anschließenden Anschlußkanal (3a, 3b, 3c, 3d) münden. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der Schichtstapel (1) zentriert in ein Gehäuse (2) eingefügt, das Zentrierflächen (6a, 6b, 6c, 6d) für den Schichtstapel aufweist und die Anschlußkanäle (3a, 3b, 3c, 3d) bildet. DOLLAR A Verwendung z. B. als Kühlelement in Kraftfahrzeugen oder Brennstoffzellensystemen oder für chemische Reaktoren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schichtwärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieser Wärmeübertrager beinhaltet einen Schichtstapel aus aufeinandergelegten Plat­ ten, z. B. Blechplatten. Die Platten sind so gestaltet, z. B. durch Herausstanzen eines geeigneten Lochmusters, daß durch den gebildeten Plattenstapelaufbau im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufende Strömungskanäle gebildet sind. Für jedes durch den Wärmeübertrager hindurchzuleitende Fluid, worunter vorliegend sowohl flüssige als auch gasförmige Strömungsmedien verstanden werden sollen, ist eine Gruppe parallel durchströmbarer Strömungskanäle vorgesehen, die end­ seitig gemeinsam in einen jeweiligen Anschlußkanal münden, d. h. fluideintrittsseitig in einen gemeinsamen Verteilerkanal und fluidaustrittsseitig in einen gemeinsamen Sammelkanal. Derartige Wärmeübertrager werden insbesondere als Zweifluid-Wär­ meübertrager eingesetzt, bei denen die beiden Fluide in alternierenden Strömungskanalebenen durch den Schichtstapel hindurchgleitet werden und dadurch in Wärmekontakt treten.

Ein Problempunkt dieses Wärmeübertragertyps ist die Wahl ei­ ner günstigen Anschlußkonfiguration. Häufig müssen die An­ schlüsse an den Schichtstapel bei den herkömmlichen Wärme­ übertragern dieses Typs mit relativ hohem Aufwand extra gelö­ tet oder angeschweißt werden, und die Strömungsverhältnisse im Eintritts- und Austrittsbereich sind häufig nicht optimal.

Schichtwärmeübertrager der eingangs genannten Art sind z. B. in den Offenlegungsschriften DE 195 28 116 A1 und DE 195 28 117 A1 sowie der Patentschrift EP 0 503 080 B1 offenbart. So­ weit dort Anschlußkonfigurationen gezeigt sind, handelt es sich um Anschlußrohre, die einzeln parallel oder senkrecht zur Stapelrichtung verlaufen. Dabei können die Platten neben ihrer strömungskanalbildenden Gestaltung mit anschlußkanal­ bildenden Durchbrüchen versehen sein, die seitlich im Schichtstapel parallel zur Stapelrichtung verlaufende An­ schlußkanäle bilden, in welche die Anschlußrohre münden.

Bei häufig bevorzugter, rechteckförmiger Gestalt der Platten ist jedoch der Durchtrittsquerschnitt der auf diese Weise im Schichtstapel gebildeten Anschlußkanäle merklich beschränkt, wenn gleichzeitig eine kompakte Stapelbauform und eine mög­ lichst weitgehende Nutzung der Stapelquerschnittsfläche für die wärmeübertragungsaktiven Strömungskanäle erreicht werden soll. In der deutschen Patentanmeldung Nr. 196 39 114.8 wird daher ein Schichtwärmeübertrager vorgeschlagen, bei dem die Platten ausgehend von einem rechteckförmigen, strömungskanal­ bildenden Mittenbereich mit an jeder der vier Rechteckseiten nach außen abstehenden, halbkreisförmigen, anschlußkanalbil­ denden Fortsätzen versehen sind. Die in Stapelrichtung über­ lappenden Fortsätze der einzelnen Platten bilden Anschlußka­ näle mit vergleichsweise großem Durchtrittsquerschnitt, wobei dessen Größe nicht durch die Ausdehnung des Strömungskanal bildenen Mittenbereichs beschränkt ist. Die dortige Anschluß­ konfiguration beinhaltet für jeden dieser Anschlußkanäle ein darin mündendes, parallel zur Stapelrichtung verlaufendes An­ schlußrohr.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines Schichtwärmeübertragers der eingangs genannten Art zugrunde, der sich einschließlich Anschlußkonfiguration mit relativ geringem Aufwand und bei Bedarf mit hoher Druckfe­ stigkeit herstellen läßt und günstige Strömungsverhältnisse in den Anschlußbereichen ermöglicht.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Schichtwärmeübertragers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Schichtwärmeübertrager ist der Schichtstapel zentriert in ein Gehäuse eingesetzt, das Zentrierflächen für den Schichtstapel aufweist und zudem die Anschlußkanäle für die Strömungskanäle des Schichtstapels bildet. Durch die Wir­ kung der Gehäusezentrierflächen läßt sich der Schichtstapel beim Zusammenbau des Wärmeübertragers zentriert in das Gehäu­ se einbringen, ohne daß die Gefahr besteht, daß einzelne Platten aus ihrer zentrischen Lage wegrutschen. Nach Einbrin­ gen des Schichtstapels kann er fluiddicht im Gehäuse fixiert werden, wofür z. B. eine einzige Komplettlötung ausreichen kann.

Das Zusammensetzen der einzelnen Platten zum Schichtstapel kann in das Gehäuse hinein erfolgen, ohne hierzu eine separa­ te Vorrichtung zu benötigen. Da die Anschlußkanäle vom Gehäu­ se gebildet werden, brauchen sie nicht aus den einzelnen Platten herausgearbeitet werden, was diesbezüglichen Ver­ schnitt minimiert. Da innerhalb des Schichtstapels somit kei­ ne Anschlußkanäle gebildet werden müssen, läßt sich im we­ sentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Stapels für die Bildung der wärmeübertragungsaktiven Strömungskanäle nutzen. Zudem ermöglicht die Anordnung der Anschlußkanäle in entspre­ chenden Zwischenräumen zwischen dem Schichtstapel und dem um­ gebenden Gehäuse die Erzielung günstiger Strömungsverhältnis­ se in den Anschlußbereichen, d. h. für das Einströmen des je­ weiligen Fluids in den zugehörigen Verteilerkanal und von dort in die zugehörigen Strömungskanäle sowie für das Aus­ strömen aus diesen heraus in den zugehörigen Sammelkanal und das Abströmen von demselben. Außerdem können weiterführende Anschlußrohre in einfacher Weise direkt am Gehäuse angebracht werden, ohne sie durch separate Fügearbeitsgänge am Schicht­ stapel fixieren zu müssen.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Schichtwärmeüber­ trager ist der Schichtstapel aus rechteckförmigen Platten aufgebaut, die in einen hohlzylindrischen Gehäuseteil mit zur Zylinderachse zentrierter Stapelrichtung eingesetzt sind. Die Zentrierflächen des Gehäuses sind dabei von entsprechenden Zylindermantelabschnitten des hohlzylindrischen Gehäuseteils gebildet, mit denen die Eckbereiche der Platten zentrierend zusammenwirken. Dieser Zentrierkontakt zwischen den Platten­ eckbereichen einerseits und den gegenüberliegenden Gehäuse­ wandungsabschnitten andererseits ermöglicht zudem die Erzie­ lung einer fluiddichten Verbindung von Schichtstapel und Ge­ häuse in diesen Bereichen. Die durch das Einfügen des würfel- oder quaderförmigen Schichtstapels in den hohlzylindrischen Gehäuseteil entstehenden Hohlräume zwischen dem zylindrischen Gehäuseteil einerseits und der jeweils gegenüberliegenden Stapelseite andererseits können zur Bildung der Anschlußkanä­ le beitragen.

Ein nach Anspruch 3 weitergebildeter Schichtwärmeübertrager realisiert einen Zweifluid-Wärmeübertrager, bei dem das Ge­ häuse zur Anschlußkanalbildung Rohrstutzen aufweist, die senkrecht zur Stapelrichtung und zur jeweiligen Stapelan­ schlußseite verlaufen. Es ergeben sich dadurch günstige Strö­ mungsverhältnisse in den Anschlußbereichen, da das jeweilige Fluid weitgehend geradlinig in die Strömungskanäle einge­ speist und aus diesen wieder abgeführt werden kann, ohne daß ein größerer Druckabfall durch stärkere Fluidumlenkung ent­ steht.

Ein nach Anspruch 4 weitergebildeter Schichtwärmeübertrager stellt einen Zweifluid-Wärmeübertrager ähnlich demjenigen nach Anspruch 3 dar, wobei die Rohrstutzen jedoch nicht senk­ recht, sondern schräg zur jeweils zugehörigen Stapelseite verlaufen.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 realisiert einen weiteren Zweifluid-Wärmeübertrager, der sich von denje­ nigen der Ansprüche 3 und 4 darin unterscheidet, daß die An­ schlußkanäle an den Stapelaußenseiten parallel zur Stapel­ richtung verlaufen. Zur Bildung dieser Anschlußkanäle können bereits die zwischen dem rechteckförmigen Schichtstapel und dem umgebenden hohlzylindrischen Gehäuseteil vorliegenden Hohlräume dienen, die bei Bedarf in ihrem Durchtrittsquer­ schnitt durch Einbringen entsprechender Ausbauchungen in den Zylindermantel des hohlzylindrischen Gehäusemittelteils er­ weitert sein können.

Bei einem nach Anspruch 6 weitergebildeten Schichtwärmeüber­ trager sind Ausnehmungen in den Eckbereichen der rechteckför­ mig gestalteten Platten und/oder in den mit diesen zusammen­ wirkenden Gehäusezentrierflächen vorgesehen. In diese Ausneh­ mungen sind lothaltige Rohrstücke eingefügt, mit denen die Platten in ihren Eckbereichen fluiddicht mit den Gehäusezen­ trierflächen verlötet sind. Dies realisiert mit einem einzi­ gen Lötvorgang sowohl eine zuverlässige Fixierung des Schichtstapels am Gehäuse als auch eine zuverlässige Abdich­ tung zwischen den einzelnen Anschlußkanälen. Außerdem können die eingebrachten, lothaltigen Rohrstücke als Verdrehsiche­ rungsmittel dienen, wenn sowohl an den Platteneckbereichen als auch an den Gehäusezentrierflächen Ausnehmungen vorgese­ hen sind, in welche die Rohrstücke eingreifen und dadurch die einzelnen Platten des Schichtstapels gegen Verdrehen im umge­ benden hohlzylindrischen Gehäuseteil vor der endgültigen Fi­ xierung des Schichtstapels am Gehäuse im anschließenden Löt­ vorgang sichern.

Bei einem nach Anspruch 7 weitergebildeten Schichtwärmeüber­ trager ist auf einer oder beiden Stirnseiten des Schichtsta­ pels eine jeweilige napfförmige Abschlußplatte vorgesehen, über die sich der Schichtstapel am Gehäuse abstützt. Die je­ weilige napfförmige Abschlußplatte kann insbesondere dazu dienen, einen ausreichenden Anpreßdruck auf den Schichtstapel während eines Lötvorgangs auszuüben, so daß sich die einzel­ nen Platten in gewünschter Weise fluiddicht verbinden. Zudem kann dadurch eine Lötschwundkompensation erreicht werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Zweifluid-Wärmeüberträger mit in ein Gehäuse eingesetztem Schichtstapel und vom Gehäuse gebilde­ ten, senkrecht zu den Stapelseitenflächen mündenden Anschlußkanälen in einer hälftig geschnitten Seiten­ ansicht längs der Linie I-I von Fig. 2,

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

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine im Schichtstapel der Fig. 1 und 2 verwendete Strömungsplatte,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine im Schichtstapel der Fig. 1 und 2 verwendete Trennplatte,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Folge aufeinandergelegter Trenn- und Strömungskanalplatten gemäß Fig. 3 und 4,

Fig. 6 eine Variante des Zweifluid-Schichtwärmeübertragers der Fig. 1 und 2 mit schräg zu den Schichtstapelsei­ tenflächen mündenden Anschlußkanälen in einer der Fig. 1 entsprechenden, hälftig geschnitten Seitenan­ sicht längs der Linie VI-VI von Fig. 7,

Fig. 7 eine Schnittansicht längs der Linie VII-VII von Fig. 6,

Fig. 8 ein weiteres Beispiel eines Zweifluid-Schichtwärme­ übertragers mit in ein Gehäuse eingesetztem Schicht­ stapel, bei dem parallel zur Stapelrichtung zu- und abführende Anschlußkanäle vorgesehen sind, in einer hälftig geschnittenen Seitenansicht längs der Linie VIII-VIII von Fig. 9 und

Fig. 9 eine Schnittansicht längs der Linie IX-IX von Fig. 8.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Schichtwärmeübertrager weist einen Schichtstapel 1 aus aufeinandergelegten, im we­ sentlichen quadratischen Blechplatten 5 auf, die senkrecht zur Stapelrichtung verlaufende Strömungskanäle 4 definieren, durch welche zwei Fluide in Wärmeübertragungsverbindung nach dem Kreuzstromprinzip hindurchgeleitet werden können. Der Schichtstapel 1 ist in ein umgebendes Gehäuse 2 eingesetzt, das z. B. als Feinguß- oder Spritzgießteil gefertigt sein kann. Das Gehäuse 2 weist einen hohlzylindrischen Mittelteil 2a auf, von dessen Mantelfläche in paarweisem 90°-Abstand an­ schlußkanalbildende, nach außen offene Rohrstutzen 2b bis 2e abgehen.

Der Schichtstapel 1 ist zentriert in den hohlzylindrischen Gehäusemittelteil 2a eingebracht, d. h. seine Stapelachse fällt mit der Zylinderachse des Gehäusemittelteils 2a zusam­ men, wobei der Schichtstapel so positioniert ist, daß seine vier Seitenflächen 1a bis 1d mittig im Mündungsbereich eines jeweils zugehörigen Rohrstutzens 2b bis 2e liegt. Die Stapel­ seitenflächen 1a bis 1d bilden vier Anschlußseiten des Schichtstapels 1 zum getrennten Zu- und Abführen der beiden Fluide in den Stapel 1 hinein und aus diesem wieder heraus. Durch die gehäuseseitigen Rohrstutzen 2b bis 2e sind zugehö­ rige Anschlußkanäle 3a bis 3d, d. h. je zwei Zufluß- und Ab­ flußkanäle, gebildet, über welche die beiden Fluide zu den Schichtstapelanschlußseiten 1a bis 1d geleitet bzw. von dort wieder abgeführt werden. Die Rohrstutzen 2b bis 2e lassen sich in beliebiger Weise zur Bereitstellung jeweils gewünsch­ ter Anschlußmöglichkeiten für weiterführende Rohre formen, wie z. B. für Clamp-Verschlüsse, wie gezeigt, für Schraubflan­ sche oder Schweißflansche. Die Abdichtflächen der Rohrstutzen 2b bis 2e können ohne Trennfuge gegossen und ausgeformt wer­ den. Dementsprechend können vorliegend zusätzliche Fügear­ beitsgänge zum Anbringen von Anschlußrohren an den Schicht­ stapel entfallen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Anschluß­ kanäle 3a bis 3d auf diese Weise nicht von den einzelnen Blechplatten 5 des Schichtstapels 1 bereitgestellt werden müssen, so daß sich die Blechplatten 5 in ihrer Ausdehnung auf den wärmeübertragungsaktiven Querschnitt beschränken las­ sen und mit relativ wenig Verschnitt hergestellt werden kön­ nen. Zudem lassen sich durch entsprechende Modifikationen des Gehäuses 2 unterschiedliche Gestaltungen der Anschlußkanäle realisieren, ohne daß hierfür verschiedene Formen der einzel­ nen Platten 5 erforderlich sind.

Im Beispiel der Fig. 1 und 2 liegt die Längsachse jedes Rohr­ stutzens 2b bis 2e und damit die entsprechende fluidzuführen­ de bzw. fluidabführende Richtung der Anschlußkanäle 3a bis 3d senkrecht zu den Stapelseitenflächen 1a bis 1d. Dies bewirkt ein günstiges Strömungsverhalten mit geringem Druckabfall, da die Fluide auf diese Weise ohne merkliche Umlenkung direkt über die Seitenflächen 1a bis 1d in die Strömungskanäle 4 des Blechpaket-Schichtstapels 1 eingespeist und auf der jeweils gegenüberliegenden Stapelseite wieder ebenso direkt aus dem Schichtstapel 1 herausgeführt werden können. Dabei verlaufen die Strömungskanäle 4, die von z. B. durch Stanzen gebildeten Langlochdurchbrüchen der Platten 5 gebildet sind, geradlinig zwischen je zwei gegenüberliegenden Stapelseitenbereichen. Auf das Strömungsverhalten dieses Schichtwärmeübertragers wirkt sich des weiteren die Tatsache günstig aus, daß der Durchtrittsquerschnitt der Anschlußkanäle 3a bis 3d nicht sehr viel kleiner ist als die Flächenausdehnung der Stapelan­ schlußseiten 1a bis 1d, beispielsweise halb so groß oder grö­ ßer, und dadurch in der Größenordnung des Durchtrittsquer­ schnitts des Schichtstapels 1 für das jeweilige Fluid liegt, wodurch sich die Druckverluste gering halten lassen.

Wie gezeigt, ist der Schichtwärmeübertrager einschließlich seines Gehäuses 2 bei gegebener Wärmeübertragungsleistung und damit gegebener Größe des Schichtstapels 1 besonders kompakt aufgebaut. Die Außenabmessungen des Gehäuses 2 sind nur wenig größer als die Abmessungen des Schichtstapels 1. Gleichzeitig läßt sich der Schichtwärmeübertrager sehr druckstabil ausle­ gen, wobei schon verhältnismäßig dünne Wandungen des Gehäuses 2 ausreichen. Der Schichtwärmeübertrager eignet sich daher für Anwendungen mit hoher Wärmeübertragungsleistung und hohen Fluiddrücken. Darüber hinaus läßt sich der Schichtwärmeüber­ trager in einer herstellungstechnisch vorteilhaften, einfa­ chen Weise fertigen, wozu beispielsweise nur ein einziger Lötvorgang, d. h. eine Komplettlötung, erforderlich ist. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht, daß der Schichtstapel 1 zentriert und damit gegen Verrutschen gesichert im Gehäuse 2 auch schon dann gehalten wird, wenn er noch nicht fest mit dem Gehäuse 2 verbunden ist und eventuell auch die einzelnen Platten 5 noch nicht fest miteinander verbunden sind. Für diese zentrierte Halterung des Schichtstapels 1 im Gehäuse 2 sind die Eckbereiche 5a bis 5d der einzelnen Platten und da­ mit die in Stapelrichtung verlaufenden Kanten des Schichtsta­ pels 1 längs einer dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Gehäusemittelteils 2a entsprechenden Kreislinie abgerundet geformt und liegen dadurch an gegenüberliegenden Abschnitten 6a bis 6d des hohlzylindrischen Gehäuseinnenteils 2a radial zentrierend an, was ein Verrutschen einzelner Platten 5 oder des Stapels 1 insgesamt senkrecht zur Stapelrichtung verhin­ dert.

Zur axialen Fixierung des Schichtstapels 1 ist der hohlzylin­ drische Gehäusemittelteil 2a in seinen beiden Endbereichen mit je einem napfartig nach innen gewölbten Abschlußblech 8, 9 abgedeckt. Die Abschlußbleche 8, 9 liegen auf diese Weise gegen die Stirnflächen des Schichtstapels 1 an und halten diesen axial in Position.

Des weiteren ist in diesem Beispiel vorteilhafterweise vorge­ sehen, den Schichtstapel 1 bzw. seine einzelnen Platten 5 auch gegen Verdrehung im hohlzylindrischen Gehäuseinnenteil 2a zu sichern. Hierzu sind korrespondierende, sich zu einer zylindrischen Zentrieröffnung 7a bis 7d ergänzende, halbzy­ lindrische Aussparungen einerseits in den abgerundeten Sta­ pelkanten- bzw. Platteneckbereichen 5a bis 5d und anderer­ seits in den diesen gegenüberliegenden Abschnitten 6a bis 6d des Gehäusemittelteils 2a eingebracht. Sobald die einzelnen Platten 5 bzw. der gesamte Schichtstapel 1 zentriert und aus­ gerichtet im Gehäuse 2 positioniert ist, lassen sich in die dann von den korrespondierenden Ausnehmungen gebildeten Zen­ trieröffnungen 7a bis 7d Lötrohrstücke entsprechenden Durch­ messers mit geschlossenem oder auch C-förmig offenem Quer­ schnitt einführen, wonach die Platten 5 und damit der Stapel 1 insgesamt verdrehsicher gehalten bleiben. Das Einfügen der Lötrohrstücke in die Zentrieröffnungen 7a bis 7d erfüllt dar­ über hinaus eine Befestigungs- und Abdichtfunktion, indem von den Lötrohren für einen Lötvorgang Lotmaterial bereitgestellt wird, mit dem der Schichtstapel 1 entlang seiner entsprechen­ den Kanten 5a bis 5d mit den gegenüberliegenden Gehäusewan­ dungsabschnitten 6a bis 6d dichtgelötet wird.

Damit läßt sich der Schichtwärmeübertrager wie folgt herstel­ len. Nach Fertigung des Gehäuses 2 und der einzelnen Platten 5 des Schichtstapels 1 wird in den Gehäusemittelteil 1 zuerst das untere napfartige Abschlußblech 8 eingesetzt, auf dem dann der Schichtstapel 1 aufgebaut wird. Dann erfolgt das Kassettieren der einzelnen Blechschichten, d. h. das Zusammen­ fügen des Schichtstapels 1 aus den einzelnen Platten 5, di­ rekt in das Gehäuse 2, so daß für dieses Kassettieren keine zusätzliche Vorrichtung benötigt wird. Das Kassettieren kann automatisch durch einen Roboter derart erfolgen, daß das bis­ lang aufgebaute Blechplattenpaket um jeweils die Blechdicke abgesenkt wird und der Roboter daher die jeweils nächste Blechplatte stets in die gleiche Position stapeln kann. Al­ ternativ kann selbstverständlich der Schichtstapel 1 auch zu­ nächst außerhalb des Gehäuses 2 aufgebaut und dann in selbi­ ges eingebracht werden. Für das Gehäuse 2 notwendige mechani­ sche Bearbeitungsschritte erfolgen vor dem Einbauen des Plat­ tenstapels 1, wodurch ein Verstopfen der feinen Kanäle des Schichtstapels 1 durch Partikel verhindert wird, die even­ tuell bei diesem Bearbeitungsschritt anfallen.

Nach vollständigem Einbringen des Schichtstapels 1 in das Ge­ häuse 2 werden die Lötrohre in die Zentrieröffnungen 7a bis 7d eingeschoben. Dann wird die obere Stirnseite des Gehäuse­ mittelteils 2a, über die der Schichtstapel 1 eingebaut wird, durch Anbringen des anderen napfartigen Abschlußbleches 9 verschlossen. Daraufhin erfolgt die Komplettlötung des gesam­ ten Komplexes. Dabei verbinden sich über fluiddichte Lötver­ bindungen die zu diesem Zweck geeignet lotplattierten Blech­ platten 5 untereinander sowie, wie oben erwähnt, der Schichtstapel 1 insgesamt mit dem Gehäuse 2 entlang der lötrohrbefüllten Zentrieröffnungen 7a bis 7d.

Um eventuell auftretenden Lötschwund beim Zusammenlöten der einzelnen Platten 5 zum Schichtstapel 1 zu kompensieren, sind die napfartigen Abschlußbleche 8, 9 mit ausreichender Vor­ spannung auf den Schichtstapel 1 aufgesetzt und halten daher das zusammengelötete Blechschichtpaket 1 auch nach erfolgtem Lötvorgang axial, d. h. in Stapelrichtung, spielfrei im Gehäu­ se 2. Der Lötvorgang kann für Stahl- und Aluminiummaterial mit Cu-, Au-, Al- oder Ni-Lötmaterialien durchgeführt werden. Anstelle des Lötvorgangs kann auch ein Klebevorgang oder der­ gleichen angewandt werden. Als Materialien kommen für den Schichtwärmeübertrager neben Eisen- und NE-Legierungen auch Kunststoffe in Betracht.

Die Fig. 3 bis 5 dienen der Veranschaulichung des strömungs­ technischen Aufbaus des Schichtstapels 1. Der Schichtstapel 1 besteht aus einer beliebigen, vorgebbaren Anzahl abwechselnd aufeinandergeschichteter Trennplatten und Strömungskanalplat­ ten, wobei jeweils nur eine Sorte Trennplatten und Strömungs­ kanalplatten benötigt wird. Fig. 3 zeigt die Gestalt einer solchen Strömungsplatte 10, während Fig. 4 eine Trennplatte 11 wiedergibt. Die Strömungskanalplatten 10 sind zur Bildung der Strömungskanäle 4 jeweils mit mehreren nebenein­ anderliegenden, geradlinig zwischen zwei gegenüberliegenden Plattenseitenbereichen verlaufenden Strömungskanaldurchbrü­ chen 12 versehen, wobei eine dünne Stegstruktur 13 jeden Strömungskanaldurchbruch 12 nach außen und zu benachbarten Durchbrüchen abgrenzt. An den beiden anderen Seitenbereichen besitzen die Strömungskanalplatten 10 jeweils eine nach außen offene, kammartige Randstruktur 14, 15. Die Trennplatten 11 sind ungelocht und an allen vier Seiten mit entsprechenden, nach außen offenen Kammstrukturen 16a bis 16d versehen. Die Eckbereiche beider Plattentypen 10, 11 sind zwecks der er­ wähnten Zentrierung im hohlzylindrischen Mittelteil 2a des den Schichtstapel 1 umgebenden Gehäuses 2 gemäß einer Kreis­ linie abgerundet und mit halbkreisförmigen Ausnehmungen 17 zur Bildung der erwähnten Zentrieröffnungen 7a bis 7d verse­ hen.

Fig. 5 zeigt angedeutet eine Abfolge einzelner Platten des Schichtstapels 1. Auf eine Trennplatte 11 folgt jeweils eine Strömungskanalplatte 10, wobei aufeinanderfolgende Strömungs­ kanalplatten mit um 90° versetzten Strömungskanaldurchbrüchen 12 angeordnet sind. Dadurch sind zwei Strömungskanalgruppen 12a, 12b mit jeweils unter sich parallelen und zur anderen Gruppe senkrecht verlaufenden Strömungskanälen gebildet, wo­ bei die zu den beiden Gruppen gehörigen Strömungskanalplatten alternierend im Stapel 1 angeordnet sind. Dabei überlappen die Kammstrukturen 14, 15 einer jeweiligen Strömungskanal­ platte 10 fluchtend mit den seitengleichen Kammstrukturen der beidseits angrenzenden Trennplatten 11 und bilden zusammen mit diesen Ein- und Austrittsbereiche für die Strömungskanäle 12 der anschließenden Strömungskanalplatten 10. Dazu über­ lappt jeder Strömungskanal 12 einer jeweiligen Strömungs­ kanalplatte 10 auf jedem seiner beiden Endbereiche mit einer jeweils zugehörigen, von den Kammstrukturen 14, 15, 16a bis 16d gebildeten, U-förmigen Ausnehmung. Auf diese Weise sind die Strömungskanäle einer jeweiligen Strömungskanalgruppe 12a, 12b strömungstechnisch parallel geschaltet und stehen mit je zwei gegenüberliegenden Stapelaußenseiten in Fluidver­ bindung. Das jeweils zugehörige Fluid kann über die gehäuse­ seitigen Anschlußkanäle 3a bis 3d direkt zur entsprechenden Schichtstapelseite geleitet werden und gelangt großflächig direkt über die überlappenden Kammstrukturen unter nur ge­ ringfügiger axialer Umlenkung in die dort mündende Gruppe 12a, 12b von Strömungskanälen, um durch diese hindurch im Kreuzstrom zum anderen Fluid und in Wärmekontakt mit demsel­ ben hindurchzuströmen und dann den Plattenstapel 1 auf ebenso direktem Wege an der gegenüberliegenden Seite wieder zu ver­ lassen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Variante des Schichtwärmeüber­ tragers der Fig. 1 bis 4, die sich von diesem im wesentlichen nur durch eine hinsichtlich der Rohrstutzenanordnung modifi­ zierte Gehäusegestaltung unterscheidet, so daß der Übersicht­ lichkeit halber für funktionell gleiche Teile dieselben Be­ zugszeichen verwendet sind und diesbezüglich auf die Be­ schreibung zu den Fig. 1 bis 4 verwiesen werden kann. Im Bei­ spiel der Fig. 6 und 7 beinhaltet der Zweifluid-Schicht­ wärmeübertrager ein Gehäuse 20, das wiederum einen hohlzylin­ drischen Gehäusemittelteil 20a beinhaltet, von dessen Mantel­ fläche vier Rohrstutzen 21a bis 21d mit Clamp-Anschlußflansch zwecks Bildung zugehöriger Anschlußkanäle 22a bis 22d abge­ hen, die in diesem Fall jedoch nicht senkrecht zur zugehöri­ gen Plattenstapelseitenfläche 1a bis 1d in den Gehäusemittel­ teil 20a einmünden, sondern unter einem Winkel von 45° zu diesen, und zwar wie auch im Fall des Beispiels der Fig. 1 bis 4 in einer zur Stapelrichtung senkrechten Ebene. Dadurch sind die zu einem jeweiligen Fluid gehörigen, einander abge­ wandten Anschlußkanäle 22a, 22c bzw. 22b, 22d um den Rohr­ stutzendurchmesser seitlich versetzt. Wie aus den Fig. 6 und 7 zu erkennen, läßt sich auch dieser Schichtwärmeübertrager sehr kompakt bauen und durch entsprechende Auslegung des Ge­ häuses 20 auch für Hochdruckanwendungen einsetzen. Auch im übrigen ergeben sich für diesen Schichtwärmeübertrager die oben zu demjenigen der Fig. 1 bis 4 genannten Eigenschaften und Vorteile. Insbesondere ist auch hier der Schichtstapel 1 zentrierend gegen Verrutschen gesichert und durch in Fig. 7 gezeigte Lötrohrstücke 23a bis 23d, die in die gebildeten Zentrieröffnungen 7a bis 7d eingefügt sind, auch verdrehsi­ cher im Gehäuseinnenteil 20a gehalten.

Die Fig. 8 bis 9 zeigen ein weiteres Beispiel eines erfin­ dungsgemäßen Zweifluid-Schichtwärmeübertragers, der als wär­ meübertragungsaktives Element wiederum den schon erläuterten Schichtstapel 1 beinhaltet. In diesem Beispiel ist der Schichtstapel 1 in ein haubenförmiges Gehäuse 30 eingesetzt, wobei er, wie zu den obigen Beispielen beschrieben, zentriert gegen Verrutschen gesichert in einem hohlzylindrischen Gehäu­ semittelteil 30a sitzt. Am in der Ansicht von Fig. 8 oben liegenden Haubenboden des Gehäuses 30 ist eine die gesamte Bodenfläche abdeckende und abdichtende, erste napfförmige Ab­ deckplatte 31 angeordnet, gegen die sich der Schichtstapel 1 mit seiner einen Stirnfläche abstützt. Mit seiner gegenüber­ liegenden Stirnfläche stützt sich der Schichtstapel 1 an ei­ ner zweiten napfförmigen Abdeckplatte 32 mit gegenüber der ersten Abdeckplatte 31 geringerer Ausdehnung ab, um auf die­ ser Seite aus dem Gehäuse mündende Anschlußkanäle 33a bis 33d freizulassen. Die Abdeckplatte 32 stützt sich ihrerseits ge­ gen einen im wesentlichen quadratischen Haubendeckel 34 ab, der in seinen Eckbereichen mit Bohrungen zum Durchführen von Befestigungselementen versehen ist.

Die den vier Seitenflächen des Schichtstapels 1 zugeordneten Anschlußkanäle 33a bis 33d sind von den Hohlräumen zwischen dem Schichtstapel 1 und zugeordneten, gerundet rechteckförmi­ gen Ausbauchungen 30b bis 30e am Zylindermantelabschnitt des Gehäuses 30 gebildet und definieren im Unterschied zu den obigen Beispielen eine Zuführung und Abführung der Fluide in axialer Richtung, d. h. parallel zur Stapelrichtung. Alle vier zugehörigen Fluidanschlußöffnungen des Gehäuses 30 befinden sich in diesem Beispiel auf derselben Seite, nämlich am Hau­ bendeckel 34. Wie gleichfalls aus den Fig. 8 und 9 zu erken­ nen, ist dieser Schichtwärmeübertrager mit radialen Abmessun­ gen realisierbar, die nur vergleichsweise wenig größer sind als die Breite des Schichtstapels 1. Da zudem alle Fluidan­ schlüsse von einer Seite erfolgen, eignet er sich ganz beson­ ders zum Einsatz in entsprechend beengten oder schlecht zu­ gänglichen Einbauräumen. Im übrigen ergeben sich auch für diesen Schichtwärmeübertrager die zu den obigen Beispielen genannten Eigenschaften und Vorteile, worauf verwiesen werden kann.

Die vorstehende Beschreibung ausgewählter Beispiele zeigt, daß sich der erfindungsgemäße Schichtwärmeübertrager kompakt, druckstabil und mit hoher Wärmeübertragungsleistung zur Durchströmung mit einem, zwei oder durch entsprechende Modi­ fikation der Anschlußkonfiguration und des Schichtstapelauf­ baus auch mehr Fluiden vergleichsweise einfach herstellen läßt, wobei für ihn charakteristisch ist, daß sein Schicht­ stapel zentriert in ein umgebendes Gehäuse eingesetzt ist, das gleichzeitig zugehörige Anschlußkanäle definiert. Die Herstellung ist z. B. durch Feinguß- und/oder Blechumformtech­ niken möglich. Der Schichtstapel kann mittels einer einzigen Komplettlötung zu einem Stück verbunden sowie mit dem Gehäuse dichtgelötet werden. Der erfindungsgemäße Schichtwärmeüber­ trager ist beispielsweise als Batteriekühler, Ölkühler, Pro­ zeßkühler in Brennstoffzellen und Reaktoren für die chemische Industrie verwendbar.

Claims (7)

1. Schichtwärmeübertrager mit

• - einem aus aufeinandergelegten Platten (5) gebildeten Schichtstapel (1), der eine oder mehrere getrennte Gruppen (12a, 12b) von parallel durchströmbaren, senkrecht zur Sta­ pelrichtung verlaufenden Strömungskanälen beinhaltet, wobei die Strömungskanäle einer jeweiligen Gruppe jeweils endseitig in seitlich anschließende, gemeinsame Anschlußkanäle 3a, 3b, 3c, 3d münden, dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Schichtstapel (1) zentriert in ein Gehäuse (2) einge­ fügt ist, das Zentrierflächen (6a, 6b, 6c, 6d) für den Schichtstapel aufweist und die Anschlußkanäle (3a, 3b, 3c, 3d) bildet.

2. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtstapel (1) aus rechteckförmi­ gen Platten (5) aufgebaut und in einen hohlzylindrischen Ge­ häuseteil (2a) mit zur Zylinderachse zentrierter Stapelrich­ tung eingesetzt ist, wobei die Gehäusezentrierflächen (6a, 6b, 6c, 6d) von Zylindermantelabschnitten des hohlzylindri­ schen Gehäuseteils gebildet sind.

3. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtstapel (1) zwei Gruppen (12a, 12b) von parallel durchströmbaren Strömungskanälen (4) bein­ haltet und die vier zugehörigen Anschlußkanäle (3a, 3b, 3c, 3d) von senkrecht zur Stapelrichtung und senkrecht zur jewei­ ligen Stapelanschlußseite (1a, 1b, 1c, 1d) fluidzuführenden und/oder fluidabführenden Rohrstutzen (2b, 2c, 2d, 2e) des Gehäuses (2) gebildet sind.

4. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtstapel (1) zwei Gruppen (12a, 12b) von parallel durchströmbaren Strömungskanälen (4) bein­ haltet und die vier zugehörigen Anschlußkanäle (22a, 22b, 22c, 22d) von senkrecht zur Stapelrichtung und schräg zur je­ weiligen Stapelanschlußseite (1a, 1b, 1c, 1d) fluidzuführen­ den und/oder fluidabführenden Rohrstutzen (21a, 21b, 21c, 21d) des Gehäuses (20) gebildet sind.

5. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtstapel (1) zwei Gruppen (12a, 12b) von parallel durchströmbaren Strömungskanälen (4) bein­ haltet und die vier zugehörigen Anschlußkanäle (33a, 33b, 33c, 33d) von parallel zur Stapelrichtung entlang der jewei­ ligen Stapelanschlußseite (1a, 1b, 1c, 1d) fluidzuführenden und/oder fluidabführenden Hohlräumen zwischen dem Schichtsta­ pel und dem hohlzylindrischen Gehäuseteil (30a) gebildet sind.

6. Schichtwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Eckbereiche (5a, 5b, 5c, 5d) des Schichtstapels (1) und/oder die mit diesen zen­ trierend zusammenwirkenden Gehäusezentrierflächen (6a, 6b, 6c, 6d) Ausnehmungen (7a, 7b, 7c, 7d) aufweisen, in die lothaltige Rohrstücke (23a, 23b, 23c, 23d) eingefügt sind, mit denen die Eckbereiche des Schichtstapels fluiddicht mit den Gehäusezentrierflächen verlötet sind.

7. Schichtwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schichtstapel (1) parallel zur Stapelrichtung an wenigstens einer Stirnseite über eine napfförmige, andrückende Abschlußplatte (8, 9) am Gehäuse (2) abstützt.