DE2245849A1 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

K. 411

Augsburg,"den 19. September 1972

The British Oxygen Company Limited, Hammersmith House,

London W 6 9DX, England

Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten wärmeleitenden Lochplatten und wärmeisolierenden Dichtungen sowie mit Ein- und Auslässen für mindestens zwei getrennte Gasströme, zwischen welchen der Wärmeaustausch erfolgt.

Im Betrieb werden durch derartige Wärmeaustauscher

309813/088 1

zwei oder mehr Gasströme durch die Löcher in den Platten hindurchgeleitet. Ein gegenseitiges Vermischen der Gasströme wird durch geeignete Anordnung der Dichtungen verhindert· Die Wärmeübertragung von einem Gasstrom auf den anderen erfolgt durch Wärmeleitung über die Platten. Ein Vorteil eines Lochplattenwärmeaustauschers besteht darin, daß eine große wirksame Wärmeaustauschfiäche auf kleinem Raum untergebracht werden kann. Ein Lochplattenwärmeaustauscher kann deshalb bei gleicher Leistung beträchtlich kleiner ausgeführt werden als ein herkömmlicher Wärmeaustauscher. Insbesondere bei Anwendung in der Kältetechnik kann das zu einer beträchtlichen Verringerung der Größe und damit der Kosten des zur Isolation des Wärmeaustauschers erforderlichen Kühlgehäuses führen. Andererseits ergibt sich dadurch ein Kühlgehäuse mit größerer Isolationswirksamkeit,

Trotz ihrer beträchtlichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Wärmeaustauschern ist bei den bislang verfügbaren Lochplattenwärmeaustauschern noch nicht der theoretisch mögliche Wirkungsgrad und auch nicht der aufgrund ihres Aufbaues mögliche kommerzielle Erfolg erreicht worden.

In den meisten Fällen ist der Wärmeaustauscher für einen Wärmeaustausch zwischen zwei Gasströmen, nämlich

30981 3/0881

einem Hochdruck (HD)- und einem Niederdruck (ND)-Gasstrom ausgelegt. Jeder Gasstrom tritt in den Wärmeaustauscher über eine Endkammer ein, welche den Gasstrom entsprechend der in jeder Dichtung gebildeten Anzahl von Kanälen in Teilströme unterteilt.

Bei bekannten Lochplattenwärmeaustauschern sind die Dichtungen mit Kanälen für miteinander abwechselnde HD- und ND-Teilströme versehen. Diese Anordnung erleichtert eine gute Wärmeübertragung zwischen den HD- und ND-Strömen. Bei diesen bekannten Ausführungsformen sind die Dichtungen derart aufgebaut und nebeneinander angeordnet, daß eine Verbindung zwischen Kanälen, durch welche verschiedene Teilströme eines bestimmten Gases strömen, hergestellt ist. Eine solche Verbindung erleichtert außerdem eine gute Wärmeübertragung dadurch, daß für ein bestimmtes Gas in dem Wärmeaustauscher ein gleichmäßiger Druckabfall aufrechterhalten und dadurch eine gute Strömungsverteilung hervorgerufen wird.

Im allgemeinen weist die dafür erforderliche Dichtung einen Rahmen und eine Reihe schmaler Stege bzw. Wände auf, welche innerhalb des Rahmens angeordnet sind und mit diesem ein gemeinsames Teil bilden und welche die Kanäle für die

30981 3/0881

durch den Wärmeaustauscher hindurchgeleiteten Gasströme bilden.

Die Wände, welche die Kanäle bilden, erstrecken sich in Längsrichtung von einem Ende des Rahmens zum anderen, oder,, wenn die Dichtung einen kreisförmigen Querschnitt hat, sind sie konzentrisch innerhalb des Rahmens angeordnet. Mit diesen bekannten Anordnungen kann jedoch keine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen, durch welche ein bestimmter Gasstrom hindurchströmt, erzielt werden. Eine bekannte Ausführungsform einer Dichtung, welche eine solche Verbindung ermöglicht, weist einen rechteckigen Rahmen und ein oder mehrere U-förmige Teile auf, welche innerhalb des Rahmens angeordnet sind. Diese Art der Dichtungskonstruktion, welche wie eine Fingeranordnung aussieht, ist aus der US-PS 3 ^77 bekannt. Die U-förmigen Teile unterteilen die Fläche innerhalb des Rahmens in miteinander in Verbindung stehende Kanäle innerhalb der U-Formen für einen Gasstrom und in miteinander in Verbindung stehende Kanäle außerhalb der U-Formen für einen weiteren Gasstrom. Diese Dichtungsform hat den Nachteil, insbesondere wenn sie mit einer großen Anzahl von U-förmigen Teilen versehen ist, daß sie einen lockeren Aufbau hat und demzufolge bei der Herstellung und Handhabung Beschädigungen ausgesetzt ist. Beim Zusammen-

30981 3/088 1

bauen des Wärmeaustauschers kann es außerdem leicht passieren, daß die Dichtungen nicht miteinander fluchtend eingesetzt werden. Eine solche Dichtung müßte, um ausreichend robust zu sein, entweder unerwünscht dick oder mit unerwünscht geringer Größe hergestellt werden.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, bei welchem eine Verbindung verschiedener Kanäle desselben Gasstromes untereinander unter Vermeidung des sich durch die Pingeranordnung bei bekannten Wärmeaustauschern ergebenden lockeren Aufbaues vorhanden ist.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung einen Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten wärmeleitenden Lochplatten und wärmeisolierenden Dichtungen sowie mit Ein- und Auslässen für mindestens zwei getrennte Gasströme, zwischen welchen der Wärmeaustausch erfolgt. Ein solcher Wärmeaustauscher ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung eine Anordnung von Wänden aufweist, welche für jeden Gasstrom durch den Wärmeaustauscher hindurch eine Vielzahl von Kanälen bildet, und daß durch Wände von komplementärer Anordnung zwischen zwei benachbarten

309813/0881

Dichtungen eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen für denselben Gasstrom hergestellt ist.

Bei dem Wärmeaustauscher nach der Erfindung weist vorzugsweise jede Dichtung eine Anordnung von Wänden auf, welche getrennte Kanäle für denselben Gasstrom bildet, so daß eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen für denselben Gasstrom nur über benachbarte Dichtungen besteht. Dadurch ist es möglich, verhältnismäßig steife Dichtungen herzustellen und so die Handhabung der Dichtung während des Zusammenbaues des Austauschers zu erleichtern.

Vorzugsweise sind die Dichtungen jeweils identisch aufgebaut und zwischen verschiedenen Kanälen für denselben Gasstrom ist eine Verbindung dadurch hergestellt, daß mindestens eine der Dichtungen in bezug auf eine benachbarte Dichtung in umgekehrter Lage angeordnet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmeaustauschers nach der Erfindung weisen die Dichtungen jeweils einen rechteckigen Rahmen auf und die, die Kanäle für die Gasströme bildenden Wände der Dichtungen sind jeweils innerhalb des Rahmens angeordnet und bilden mit diesem ein gemeinsames Teil. Bei dieser erfindungsgemäßen Aus-

309813/0881

führ lings form der Dichtung erstrecken sich zur Versteifung des Dichtungsaufbaus mehrere Wände jeder Dichtung unmittelbar von einer Rahmenseite bis zu einer anderen. Jede Dichtung weist somit gemäß der Erfindung eine Gruppe von Wänden auf, welche parallel zu den längeren Seiten des Rahmens angeordnet sind und sich unmittelbar zwischen dessen kürzeren Seiten erstrecken. Außerdem ist eine weitere Gruppe von Wänden parallel zwischen der einen Gruppe von Wänden angeordnet, wobei mindestens einige Wände aus der weiteren Gruppe an beiden Enden durch Querwände derart mit verschiedenen Wänden der einen Gruppe verbunden sind, daß Kanäle mit jeweils einem verbreiterten Endteil gebildet sind, welche mit Ausnahme ihrer Endteile spiegelbildlich symmetrisch in bezug auf eine die kürzeren Seiten des Rahmens zweimal schneidende Ebene angeordnet sind, so daß eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen für denselben Gasstrom durch überlappen der verbreiterten Endteile von mindestens einer Dichtung und einer benachbarten Dichtung hergestellt ist, welch letztere in bezug auf die mindestens eine Dichtung in umgekehrter Lage angeordnet ist.

Die Dichtungen weisen vorzugsweise jeweils mindestens einen mit ihren parallelen Wänden ein gemeinsames Teilbildenden Verstärkungsstreifen auf, welcher quer zwischen· den längeren Seiten des Rahmens verläuft und mit diesen

30981 3/088 1

ebenfalls ein gemeinsames Teil bildet. Um zu vermeiden, daß Zwischenkanäle keine gemeinsame Verbindung mit entsprechenden Zwischenkanälen in den anderen Dichtungen haben, müssen der bzw. die Verstärkungsstreifen jeweils in bezug auf eine die kürzeren Seiten des Rahmens zweimal schneidende Achse asymmetrisch angeordnet sein. Die Verstärkungsstreifen tragen zur Versteifung einer verhältnismäßig langen Dichtung bei'.

Ebenso wie bei herkömmlichen Wärmeaustauschern können die Dichtungen derart ausgelegt sein, daß sie miteinander abwechselnde verhältnismäßig schmale und verhältnismäßig breite Kanäle für die HD- und ND-Gasströme bilden· Bei dem Wärmeaustauscher nach der Erfindung ist es von besonderem Vorteil, daß die relativen Breiten der HD- und ND-Kanäle derart gewählt werden können, daß sich für die Gasströme die gewünschten Druckabfälle ergeben.

Aus Gründen, die mit der Druckverteilung in dem Wärmeaustauscher zusammenhängen, nehmen vorzugsweise die beiden äußeren Kanäle ND-Gas auf.

Bei dem Wärmeaustauscher nach der Erfindung sind vorzugsweise die Dichtungen gruppenweise derart angeordnet,

30981 3/088 1

daß sich sämtliche Dichtungen einer Gruppe in bezug auf eine benachbarte Gruppe in umgekehrter Lage befinden. Durch diese Anordnung wird der Druckabfall verringert, der sich bei der Strömungsumverteilung in den abwechselnd angeordneten umgekehrten und nicht umgekehrten Dichtungen ergeben würde.

Für den Wärmeaustauscher nach der Erfindung sind folgende optimale Parameter ermittelt worden:

a) Die Querschnittsfläche der Löcher liegt jeweils

2 2

in einem Bereich von 0,26 mm bis 0,8l mm ,

b) die Stärke jeder Platte liegt in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,5 mm,

c) die Gesamtquerschnittsfläche der Löcher in jeder Platte hat einen Anteil von 25 % bis 40 % an der durch den Umfang der Platte begrenzten Fläche,

d) die Stärke jeder Dichtung liegt in einem Bereich von 0,13 mm bis 0,25 mm,

e) die Breite jeder Wand der Dichtungen liegt in einem Bereich von 2,5 mm bis 3,8 mm, und

309 813/0881

f) das Seitenverhältnis jeder Dichtung und jeder Platte liegt in einem Bereich von 1,5 : 1 bis 3 ' 1·

Die Gasströme können mittels Endkammern in den Wärmeaustauscher ein- und wieder herausgeleitet werden. Die Endkammern sind zwar vorzugsweise an beiden Enden des Wärmeaustauschers parallel zu den Platten angeordnet, sie können jedoch auch an den Seiten des Wärmeaustauschers angeordnet sein.

Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung ist zur Abkühlung von Gas auf kryogene Temperaturen besonders geeignet. Bei einer typischen Konstruktion werden beispielsweise etwa 500 Platten zur Kühlung von HD-Helium von 300 ⁰K auf 80 °K mit in Gegenstromrichtung strömendem ND-Helium von 75 ⁰K bis 295 ⁰K verwendet.

Zur Erzielung der Leistungsfähigkeit des Wärmeaustauschers ist es erforderlich, daß seine Einzelteile aus geeigneten Materialien hergestellt werden. Für die Verwendung bei kryogenen Temperaturen bestehen die Lochplatten vorzugsweise aus Aluminium, die Dichtungen aus einem nichtmetallischen Material, beispielsweise einem Material auf Zellulosefaserbzw. Glasfaserbasis, und die Dichtungen sind mit den Platten mittels eines Klebemittels dicht verbunden, welches den

- 10 30981 3/088 1

periodischen Temperaturwechseln zwischen der Umgebungstemperatur und den gewünschten tiefen Temperaturen standhält« Wenn andererseits der Wärmeaustauscher einen Einlaßgasstrom zu kühlen hat, dessen Temperatur höher als 450 ⁰K ist, kann kein Klebemittel verwendet werden.· In diesem Ball sind die Lochplatten vorzugsweise aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, und die Dichtungen aus einem Material mit vergleichsweise geringer Leitfähigkeit, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt und die Dichtungen und Lochplatten sind durch Löten miteinander verbunden·

Die Löcher können in den Platten durch Stanzen oder Ätzen gebildet werden» Die gewünschte Form der Dichtungen kann durch Schneiden mit einer Schablone oder mittels eines Laser-Schneidverfahrens hergestellt werden. Das Schneiden mittels Laser ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Herstellen von Schlitzen in der hölzernen Grundplatte einer Schablone bzw. Form, die zum Herausschneiden einer komplizierten Dichtung aus einem nichtmetallischen Material erforderlich ist.

Die Einzelteile der Endkammern sind vorzugsweise aus Aluminium hergestellt. Die Endkammern können andererseits

- 11 - ■

30981 3/088 1

jedoch auch durch Gießen jeweils in einem Stück hergestellt werden.

Beim Zusammenbau des Wärmeaustauschers nach der Erfindung werden zur Erleichterung des Aufeinanderausrichtens der Dichtungen und der Lochplatten und zur Erzeugung von Druck während des Aushärtens des Klebemittels vorzugsweise besondere Vorrichtungen verwendet.

Wenn die Platten und Dichtungen zusammengefügt sind und die Endkammern angebracht sind, werden an den Enden des Wärmeaustauschers Spannmittel, wie beispielsweise Ankerbolzen, angebracht. Diese Spannmittel tragen dazu bei, ein Aufbrechen der dichten Verbindung zwischen den Lochplatten und den Dichtungen zu verhindern, welches beispielsweise durch Druck innerhalb des Wärmeaustauschers hervorgerufen werden könnte. Die Spannmittel sind vorzugsweise durch Federmittel vorgespannt, welche beispielsweise von einem Stapel von Tellerfedern gebildet werden. Die Spannmittel sind dadurch in der Lage, während des Betriebes des Wärmeaustauschers eine thermische Expansion oder Kontraktion auszugleichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher be-

- 12 3098 13/088 1

schrieben. Es zeigen:

Pig, I eine perspektivische Ansicht eines

Lochplattenwärmeaustauschers nach der Erfindung,

Fig. 2 in Draufsicht einen Teil einer bei

dem in Pig. I dargestellten Wärmeaustauscher verwendeten Lochplatte,

Fig. 3 in Draufsicht eine bei dem in Fig.

dargestellten Wärmeaustauschers verwendete Dichtung,

Fig. 4 in Draufsicht zwei übereinander-

gelegte Dichtungen der in Fig. 3 dargestellten Art, wobei eine Dichtung in bezug auf die andere Dichtung umgekehrt und die dazwischenliegende Platte aus Darstellungsgründen weggelassen ist,

Fig. 5 einen Schnitt auf der Linie A-A¹

in Fig. 1,

- 13 - .

30981 3/0881

Pig» 6 im Aufriß eine bei dem in Pig. I

dargestellten Wärmeaustauscher verwendete Endkammer,

Fig. 7 einen Schnitt auf der Linie B-B¹

in Fig. 6, und

Fig. 8 einen Schnitt auf der Linie G-C

in Fig. 6«

Ein in Fig. 1 dargestellter Wärmeaustauscher ist aus einer Vielzahl von rechteckigen Lochplatten aus Aluminium gebildet, die durch isolierende Dichtungen voneinander getrennt sind. Jede Dichtung k ist zwischen zwei der Lochplatten 2 mittels eines Epoxidklebemittels eingeklebt. Dadurch ergibt sich ein starrer Aufbau aus abwechselnden Platten und Dichtungen. Der Wärmeaustauscher weist außerdem an seinen Enden Endkammern 8 und 10 auf, welche jeweils identisch aufgebaut sind. Die Endkammer 8 hat ein Einlaßrohr 12 für einen ersten Gasstrom, und die Endkammer 10 hat ein Einlaßrohr 14 für einen weiteren Gasstrom. Die Gasströme werden auf diese Weise in Gegenstromrichtung durch den Wärmeaustauscher hindurchgeleitet· Der erste Gasstrom verläßt den Wärmeaustauscher über ein Auelaßrohr

- 14 -

309913/0881

der Endkammer 10, während der weitere Gasstrom den Wärmeaustauscher über ein Auslaßrohr 18 der Endkammer 8 verläßt.

Die Form der bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher verwendeten Aluminiumlochplatten ist in Pig, 2 dargestellt· Die Platte 2 weist äquidistante Reihen von kreisförmigen Löchern 20 auf. Die Löcher sind derart angeordnet, daß zwischen einem Loch in einer Reihe und zwei benachbarten Löchern in einer benachbarten Reihe jeweils ein gleichseitiges Dreieck gebildet ist. Durch Herstellung mit normalen Methoden und mit normaler Genauigkeit wird sichergestellt, daß die Löcher in benachbarten Platten nach dem Zusammenbau gegenseitig eine zufällige, nicht fluchtende Anordnung haben» Jede Platte weist eine Stärke von 0,38 mm und jedes Loch einen Durchmesser von 0,79 mm auf. Jede Platte hat eine Länge von 46 cm, eine Breite von 18 cm und hat im Mittel 4o8 Löcher

pro 6,5 cm Plattenfläche.

Die Form der bei dem Wärmeaustauscher nach der Erfindung verwendeten Dichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Dichtung hat eine Länge von 46 cm, eine Breite von 18 cm und weist einen rechteckigen Rahmen 22 auf, dessen längere Seiten mit den Bezugszahlen 24 und 26 und dessen kürzere Seiten mit den Bezugszahlen 28 und 30 bezeichnet sind.

- 15 3 0 9 8 13/0881

Sechs Wände 32 erstrecken sich unmittelbar zwischen den Seiten 28 und 30 des Rahmens und bilden mit diesen ein gemeinsames Teil und liegen außerdem parallel zu den Seiten 2k und 26. Zwischen jeweils zwei Wänden 32 und parallel zu diesen sind Wände 3^ angeordnet. Parallel zu der Seite 26 des Rahmens 22 und zwischen dieser und der nächstgelegenen der Wände 32 ist eine Wand 36 angeordnet. Die Wände 3¹*, welche jeweils kürzer sind als die Wände 32, sind jeweils über Verbindungswände 38 und *ίθ, welche rechtwinkelig zu den Wänden 32 verlaufen, mit zwei Wänden 32 verbunden. Die Verbindungswände 38 ragen jeweils von einer Wand 32 in der Nähe der Seite 30 des Rahmens 22 vor und sind mit einer Wand 3¹* am Ende derselben verbunden« In gleicher Weise ragen die Verbindungswände ¹K) jeweils von einer Wand 32 in der Nähe der Seite 28 des Rahmens 22 vor und sind mit einer Wand 3^ an deren Ende verbunden. Die Verbindungswände 38 sind jeweils kürzer als die Verbindungswände ¹JO, so daß die Wände 3¹* und 36 zwei Gruppen von Kanälen mit unterschiedlicher Breite bilden«

Die Wand 36 endet an einem Ende in der Seite 28 des Rahmens und am anderen Ende in einer Wand 42, deren Länge jeweils gleich der Länge derjenigen Wand ist, welche rechtwinkelig von der Wand 36 wegragt und mit der nächstgelegenen

- 16 309813/0881

Wand 32 in der Nähe der Seite 30 des Rahmens verbunden ist·

Zwischen den Seiten 24 und 26 des Rahmens sind versetzte Verstärkungsstreifen 44 und 46 angeordnet. Diese Verstärkungsstreifen sind in gleichen Abständen zwischen den Seiten 28 und 30 des Rahmens angeordnet und bilden mit den Wänden 32, 34 und 36 ein gemeinsames Teil, Die parallelen Wände 32 und 34, die Verbindungswände 3.8 und und die Seiten 28 und 30 des Rahmens bilden gemeinsam eine Folge von zehn etwa rechteckigen Kanälen, welche jeweils einen vorragenden Endteil aufweisen. Diese Kanäle sind jeweils L-förmig. Fünf der Kanäle, welche zwischen jeder Wand 32, jeder Wand 34, jeder Wand 40 und der Seite 28 des Rahmens 22 gebildet sind, sind für einen HD-Gasstrom vorgesehen. Sie sind abwechselnd mit den fünf Kanälen angeordnet, welche zwischen jeder Wand 32, jeder Wand 34, jeder Wand 38 und der Seite 30 des Rahmens 22 gebildet und zur Aufnahme eines ND-Gasstromes vorgesehen sind. Die fünf HD-Kanäle sind der Reihe nach von der Seite 24 aus zur Seite 26 des Rahmens hin mit Bezugszahlen 48, 50, 52, 54 und versehen, während die fünf ND-Kanäle in gleicher Weise mit Bezugszahlen 60, 62, 64, 66 und 68 versehen sind. Die HD-Kanäle weisen jeweils eine geringere Breite als die ND-Kanäle auf, da die Verbindungswände 38 jeweils kürzer sind als die Verbindungswände 40.

- 17 309813/0881

Aus Pig· 3 ist ersichtlich, daß die Dichtung drei weitere Kanäle aufweist, welche zwischen den Seiten 24 und des Rahmens und den Kanälen 48 bis 68 angeordnet sind« So ist ein rechteckiger Kanal 70 zwischen der Seite 24 des Rahmens 22, der nächstgelegenen Wand 32 und den Seiten und 30 des Rahmens 22 gebildet« Der Kanal 70 ist zur Aufnahme von ND-Gas vorgesehen. Ein weiterer Kanal 72 für ND-Gas ist zwischen den Seiten 26, 28 und 30 des Rahmens 22, der Wand 36, der Wand 42 und dem mit Bezug auf die Darstellung in Fig. 3 rechten Ende der, der Seite 26 nächstgelegenen Wand 32 gebildet.

Dieser Kanal ist etwa rechteckförmig und weist ein in der Nähe der Seite 30 des Rahmens 22 gelegenen vorragenden Endteil auf. Ein sechster HD-Kanal 74 ist zwischen der Wand 36, der Wand 42, der Seite 28 des Rahmens 22 gebildet· Dieser Kanal 74 ist rechteckförmig und weist die gleiche Breite auf wie die anderen HD-Kanäle«

Die ND-Kanäle 60, 62, 64, 66 und 68 haben jeweils eine Breite von 14 mm, während die Kanäle 70 und 72 jeweils eine Breite von 7 mm haben. Die HD-Kanäle 48, 50, 52, 54, und 74 haben jeweils eine Breite von 5 mm. Die Breite des vorragenden Endteiles jeweils der Kanäle 48, 50, 52, 54, 56, 60, 62, 64, 66 und 68 beträgt 22 mm, während die Breite

- 18 309813/0881

des vorragenden Endteiles des Kanaies 72 15 min beträgt. Die Kanäle 70 und 74 weisen jeweils keinen vorragenden Endteil auf. · .

Die Wände 32, 34, 36, 38, 40 und 42 und die Verstärkungsstreifen 44 und 46 haben jeweils eine Breite von 3 mm. Die Seiten 24 und 26 des Rahmens haben jeweils eine Breite von 14 mm. Die Seiten 28 und 30 des Rahmens haben jeweils eine Breite von 10 mm. Die Dichtung bedeckt somit 36 Prozent der Oberfläche einer Platte des Wärmeaustauschers, wobei 19 % durch den Rahmen und 17 % durch die Wände und die Verstärkungsstreifen überdeckt sind.

Jede Dichtung ist einstückig aus einer Glasfasermatte unter Verwendung einer mittels eines LaserSchneidverfahrens gebildeten Schablone hergestellt. In Pig, 4 ist gezeigt, wie die vorragenden Endteile der Kanäle der Dichtungen die Verbindung zwischen den verschiedenen Kanälen desselben Gasstromes ermöglichen. In Fig. 4 sind zwei Dichtungen der in Fig. 3 dargestellten und mit Bezug auf diese Figur beschriebenen Art übereinander angeordnet dargestellt. Jeder rechteckige Hauptteil jedes Kanals in der oberen Dichtung ist genau durchdeckend mit einem rechteckigen Hauptteil eines Kanals in der unteren Dichtung angeordnet. Die Verbindung untereinander^wird durch die vorragenden Endteile

- 19 3 0 9813/0881

der Kanäle hergestellt. Betrachtet man die HD-Kanäle, so sieht man, daß der Endteil des Kanals 48 in der oberen Dichtung mit dem Endteil des Kanals 56· in der unteren Dichtung in Verbindung steht. In gleicher Weise steht der Endteil des Kanals 50 der oberen Dichtung mit dem Endteil des Kanals 54* der unteren Dichtung in Verbindung, und der Endteil des Kanals 52 der oberen Dichtung überlappt den Endteil des Kanals 52* der unteren Dichtung usw..

Bei den ND-Kanälen steht der Endteil des Kanals 72 der oberen Dichtung mit dem Endteil des Kanals 60· der unteren Dichtung in Verbindung; der Endteil 68 der oberen Dichtung steht mit dem Endteil des Kanals 62' der unteren Dichtung in Verbindung, und in gleicher Weise stehen die Endteile der Kanäle 66, 64, 62 und 60 der oberen Dichtung mit den Endteilen der Kanäle 64', 66', 68» und 72^f der unteren Dichtung in Verbindung,

Da die Verstärkungsstrexfen 44 und 46 der oberen und unteren Dichtungen nicht einander durchdeckend angeordnet sind, behindern sie nicht die Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen des gleichen Kanals.

In dem Wärmeaustauscher sind die Dichtungen derart

- 20 309813/0881

angeordnet, daß, fortschreitend durch den Wärmeaustauscher hindurch, fünf aufeinanderfolgende Dichtungen sich in der Lage der in Fig. 4 dargestellten oberen Dichtung und die nächsten fünf Dichtungen in der Lage der in Pig, 4 dargestellten unteren Dichtung befinden. Es ist deshalb vorteilhaft, die einzelnen Dichtungen an ihren Rahmen mit Indexmarkierungen zu versehen, so 'daß während des Zusammenbaues des Wärmeaustauschers die Lage einer Dichtung anhand der Indexmarkierung festgestellt werden kann.

Der Aufbau der Endkammer 8 des Wärmeaustauschers ist'in den Fig. 6 bis 8 dargestellt. Die Rohre 12 und 18 sind mit Kappen und 86 verschweißt. Die Kappen 84 und 86 sind mit einer dicken Aluminiumplatte 82 verschweißt, welche sechs Kanäle gleicher Breite für HD-Gas und sieben Kanäle 92 für ND-Gas aufweist. Die Kanäle 90 und 92 sind entsprechende Kanäle in einer benachbarten Dichtung durchdeckend angeordnet. Die Endkammerplatte 82 weist außerdem in der Nähe ihres Umfanges mehrere Löcher auf, welche das Anbringen von Spannmitteln ermöglichen.

Die HD-Kanäle 90 sind derart gebildet, daß sie sich zwar in der Endkammerplatte 82 über die gesamte, mit der Kappe zusammenwirkende Hälfte derselben erstrecken, daß sie sie sich jedoch nur über einen Teil der Länge der anderen

- 21 309813/0831

Hälfte der Endkammerplatte erstrecken, welche mit der Kappe 86 zusammenwirkt. In gleicher Weise sind die ND-Kanäle derart gebildet, daß die sich über die Endkammerplatte in derjenigen Hälfte erstrecken, welche mit der Kappe 86 zusammenwirkt, daß sie sich jedoch nur Über einen Teil der Hälfte derselben erstrecken, welche mit der Kappe 84 zusammenwirkt ·

HD-Qas, welches in den Wärmeaustauscher über das Rohr 12 eintritt, kann deshalb zwar nur in die HD-Kanäle gelangen, es ist jedoch in der Lage, diese Kanäle auf ihrer gesamten Länge zu durchströmen. In gleicher Weise kann ND-Gas, welches den Wärmeaustauscher über das Rohr verläßt, in das Rohr 18 nur von den ND-Gaskanälen 92 aus eindringen, es ist jedoch in der Lage, diese Kanäle auf ihrer gesamten. Länge zu durchströmen·

Die Endkammern 8 und 10 sind identisch aufgebaut. Beide Endkammern sind mit den Dichtungen fest verbunden«

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmeaustauscher weist 525 Lochplatteh auf, welche zwischen 526 Dichtungen angeordnet sind· Die Gesamtausdehnung des Wärmeaustauschers von Endkammer zu Endkammer beträgt etwa 30 cm.

- 22 309813/0881

Es hat sich gezeigt, daß der Wärmeaustauscher nach der Erfindung in einem Temperaturbereich von 80 ⁰K bis 300 ⁰K mit einer Heliumgasströmungsmenge von jeweils 20 gs für die HD- und ND-Ströme·, mit einem Wärmeübertragungswirkungsgrad von mehr als 97 %, mit einem HD-Gässtromeinlaßdruek von 40 Atm und einem ND-Gasstromeinlaßdruck von 1,1 Atm betrieben werden kann.

- 23 -

3098 13/088 1

Claims (10)

1. Pat entansprüche

   I Iy Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten wärmeleitenden Lochplatten und wärmeisolierenden Dichtungen sowie mit Ein- und Auslässen für mindestens zwei getrennte Gasströme, zwischen welchen der Wärmeaustausch erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung (4) eine Anordnung von Wänden (32, 34, 36, 38, 40, 42) aufweist, welche für jeden Gasstrom durch den Wärmeaustauscher hindurch eine Vielzahl von Kanälen (48, 50, 52, 54, 56; 60, 62, 64, 66, 68) bildet, und daß durch Wände von komplementärer Anordnung zwischen mindestens zwei benachbarten Dichtungen eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen für denselben Gasstrom hergestellt ist.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung (4) eine Anordnung von Wänden (32, 34, 36, 38, 40, 42) aufweist, welche getrennte Kanäle (48, 50, 52, 54, 56; 60, 62, 64, 66, 68) für denselben Gasstrom bildet, so daß eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen für denselben Gasstrom nur übet benachbarte Dichtungen besteht.
3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

   - 24 -

   309813/0881

   gekennzeichnet, daß die Dichtungen (4) jeweils identisch aufgebaut sind und daß eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen (48, 50, 52, 54, 56; 60, 62, 64, 6β₉ 68) für denselben Gasstrom dadurch hergestellt ist, daß mindestens eine der Dichtungen in bezug auf eine benachbarte Dichtung in umgekehrter Lage angeordnet ist (Pig· -4).
4. 4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (4) jeweils einen rechteckigen Rahmen (22) aufweisen und daß die Wände (32, 34, 36, 38, 40, 42) der Dichtungen jeweils innerhalb des Rahmens angeordnet sind und mit diesem ein gemeinsames Teil bilden,
5. 5· Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zur Versteifung des Dichtungsaufbaues mehrere Wände (32) jeder Dichtung (4) unmittelbar von einer Rahmenseite bis zu einer anderen Rahmenseite erstrecken.
6. 6» Wärmeaustauscher nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung (4) eine Gruppe von Wänden (32) aufweist, welche parallel zu den längeren Seiten (24, 26) des Rahmens (22) angeordnet sind und sich unmittelbar zwischen dessen kürzeren Seiten (28, 30) er-

   - 25 -309 8137088 1

   strecken und daß eine weitere Gruppe von Wänden (3¹I) parallel zwischen der einen Gruppe von Wänden angeordnet ist, wobei mindestens einige Wände (34) aus der weiteren Gruppe an beiden Enden durch Querwände (38, 40) derart mit verschiedenen Wänden (32) der einen Gruppe verbunden sind, daß Kanäle (48, 50, 52, 54, 56; 60, 62, 64, 66, 68) mit jeweils einem verbreiterten Endteil gebildet sind, welche mit Ausnahme ihrer Endteile spiegelbildlich symmetrisch in bezug auf eine die kürzeren Seiten des Rahmens zweimal schneidende Ebene angeordnet sind, so daß eine Verbindung zwischen verschiedenen Kanälen für denselben Gasstrom durch überlappen der verbreiterten Endteile von mindestens einer Dichtung und einer benachbarten Dichtung hergestellt ist, welch letztere in bezug auf die mindestens eine Dichtung in umgekehrter Lage angeordnet ist (Fig. 4).
7. 7· Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (4) jeweils mindestens einen mit ihren parallelen Wänden (32, 34, 36) ein gemeinsames Teil bildenden Verstärkungsstreifen (44, 46) aufweisen, welcher quer zwischen den längeren Seiten (24, 26) des Rahmens (22) verläuft und mit diesen ebenfalls ein gemeinsames Teil bildet und welcher mit Bezug auf eine die kürzeren Seiten (28, 30) des Rahmens zweimal schneidende Achse

   - 26 -

   309813/0881

   asymmetrisch angeordnet ist,
8. 8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (4) ineinanderliegende Kanäle (48, 50, 52, 54, 56 bzw. 60, 62, 64, 66_t 68) für zwei getrennte Gasströme bilden.
9. 9. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (4) gruppenweise derart angeordnet sind, daß sich sämtliche Dichtungen einer Gruppe in bezug auf eine benachbarte Gruppe in umgekehrter Lage befinden (Fig. 4).
10. 10. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß

    a) die Querschnittsfläche der Löcher (20) jeweils in einem Bereich von 0,26 mm bis 0,81 mm liegt,

    b) die Stärke jeder Platte (2) in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,5 mm liegt,

    c) die Gesamtquerschnittsfläche der Löcher in jeder Platte einen Anteil von 25 % bis 40 % an der

    - 27 309813/0 881

    durch den Umfang der Platte begrenzten Fläche hat,

    d) die Stärke jeder Dichtung (4) in einem Bereich von 0,13 mm bis 0,25 mm liegt,

    e) die Breite jeder Wand (32, 3¹I, 36, 38, 40, 42) der Dichtungen in einem Bereich von 2,5 mm bis 3,8 mm liegt, und

    f) das Seitenverhältnxs jeder Dichtung und jeder Platte in einem Bereich von 1,5 : 1 bis 3 : 1 liegt.

    - 28 3098 13/088 1