DE2657308B2

DE2657308B2 - Querstrom-Wärmetauscher, mit einer Mehrzahl im wesentlichen identischer Platten, welche parallele Strömungswege bilden

Info

Publication number: DE2657308B2
Application number: DE2657308A
Authority: DE
Inventors: Gregory Stephen Truscott Brampton Millard (Kanada)
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DE2657308C3; US4011905A; GB1556510A; DE2657308A1; BR7608410A; CA1055481A; JPS5289852A

Description

JO

Die Erfindung betrifft einen Querstrom-Wärmetauscher mit einer Mehrzahl im wesentlichen identischer Platten, die paarweise einandsr gegenüberliegend an ihren Umfangsrändern miteinander . erbunden sind und parallele Strömungswege bilden, wobei jedes Plattenpaar eine Einlaßöffnung, eine Auslaßöffnung und einen zwischen diesen verlaufenden Kernabschnitt besitzt, der einen Strömungsweg zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung bildet, wobei die Plattenpaare mit ausgerichteten Öffnungen aufeinandergestapelt sind und jeweils durch eine durch je einen Hohlraum in den aufeinanderfolgenden Platten gebildete Verteilerkammer die Einlaßöffnungen und eine in gleicher Weise gebildete Sammelkammer die Auslaßöffnungen miteinander verbindet.

Wärmetauscher der Querströmungsbauart werden im allgemeinen aus einer Mehrzahl relativ flacher Wärmetauscherplatten gebildet, jede Platte besitzt am einen Ende eine Einlaßöffnung und am gegenüberliegenden Ende eine Auslaßöffnung. Die Öffnungen sind durch einen Kernabschnitt miteinander verbunden, der einen Verwirbler aufweist. Dieser bricht den Strömungsmittelfluß auf und verteilt ihn über die Wärmetauscherflächen. Ein zweites Strömungsmittel, ζ. Β. Luft, bewegt sich zwischen den Platten in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Strömungsmittelflusses innerhalb der ϊϊ Platten.

Bei vielen Anwendungsgebieten, insbesondere bei modernen Automobilkühlsystemen, wo mit hohen Betriebstemperaturen gearbeitet wird, muß dem Wärmetauscher ein Überlauftank zugeordnet werden. In den bekannten Fällen ist dieser vom Wärmetauscher getrennt und über eine äußere Verbindung zwischen Wärmetauscherkern und Tank geschlossen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Überlauftank integriert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschriebene Erfindung gelöst; eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Anspruch 2 angegeben.

Der erfindungsgemäße Überlauf tank kompensiert die Volumenveränderungen, die sich aufgrund von Temperaturvariationen ergeben, und zwar sowohl diejenigen des Wärmetauschers als auch diejenigen des darin befindlichen Strömungsmittels. Er sorgt für die Entlüftung des Strömungsmittels während des Betriebs des Fahrzeugs, einschließlich des Nachkochens.

Im erfindungsgemäßen Überlauftank bleibt ein Luftraum, der nicht zur Wärmeübertragung benutzt wird. Das Ergebnis ist, daß der Wärmetauscher immer voll von Strömungsmittel ist Dies wiederum erhöht den Wirkungsgrad des Wärmetauschers.

Der integrierte Überlauftank benötigt keine zusätzlichen Form- oder Zusammenbauschritte, verglichen mit denjenigen, die normalerweise zur Erzeugung des Wärmetauschers erforderlich sind Bei dieser Bauweise wird nicht nur die Herstellungsarbeit erübrigt, die mit der Anfertigung des Überlauftanks sonst verknüpft ist; es werden auch die Montage und die Abdichtung a.m Wärmetauscher überflüssig, die bei herkömmlicher Bauart benötigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine Vorderaufsicht auf einen Wärmetauscher der Plattenstapelbauart mit einem einstückigen Überlauftank;

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Wärmetauscher von F i g. 1 mit weggebrochenen Teilen;

Fig.3 einen vertikalen Querschnitt gemäß der unregelmäßigen Linie 3-3 von F i g. 2;

Fig.4 einen senkrechten Querschnitt gemäß Linie 4-4 von Fig.2;

Fig.5 einen senkrechten Querschnitt gemäß Linie 5-5 von Fig.2;

F i g. 6 die perspektivische Ansicht der Bodenlage der gestapelten Platten;

Fig.7 die perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Wärmetauschers in Form eines Radiators aus Platten und Trennungsrippen;

Fig.8 die perspektivische Ansicht eines Endabschnitts einer Platte im Wärmetauscher;

Fig.9 einen senkrechten Querschnitt gemäß Linie 9-9 von F i g. 8.

Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher 10 der Plattenstapelbauart, der sich für den Betrieb mit Einfachdurchgang oder Mehrfacndurchgang eignet. Er ist aus einer Mehrzahl von Plattenpaaren U aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus Aluminium, hergestellt. Jedes Plattenpaar 11 wird von zwei einander gegenüberliegenden, schalenförmigen Platten 12 gebildet. Jede Platte 12 weist einen Kernabschnitt 13, eine Einlaßöffnung 14, die von einem Flansch 15 begrenzt wird, und eine Auslaßöffnung 16, die von einem zweiten Flansch 17 begrenzt wird, auf. Eine Verlängerung, die sich über den Kernabschnitt 13 hinaus erstreckt, enthält eine vergrößerte Öffnung 19, die von einem dritten Flansch 21 begrenzt ist. An jeder Platte ist zwischen den Öffnungen 14 und 16 eine Mehrzahl von in Abstand befindlichen, parallelen Rippen 22 ausgebildet Diese verlaufen unter einem spitzen Winkel gegenüber der Längsachse der Platte. Die Rippen 22 sind auf jeder Platte 12 identisch ausgerichtet und positioniert.

Die Platten 12 sind Blechteile und werden durch Stanzen so hergestellt, daß alle Rippen 22 und Flansche 15, 17 und 21 von einer Seite des flachen Bleches ausgehen, wobei die Rippen und die Flansche im

wesentlichen dieselbe Höhe besitzen. Wenn die Rippen in das Blech eingedrückt werden, wird außerdem eine entsprechende Nut 23 an der gegenüberliegenden Seite des Bleches erzeugt jede Rippe 22 verläuft quer über eine Platte 12 und endet kurz vor dem Umfangsrand 24 dieses Teiles. Eine oder mehrere Rippen 22' schneidet die Flansche 15 und 17 so, daß sich eine oder mehrere Nuten 23' in den Raum 25 oder 26 öffnen, der von dem Flansch 15 bzw. 17 gebildet wird.

Zur Ausbildung des Plattenstapel-Wärmetauschers 10 wird eine von zwei Platten 12 umgedreht, so daß sich die Teile einander gegenüberstehen und die Umfangsränder 24, 24 aneinanderstoßen. Auf diese Weise werden Strömungsmittelkanäle 27 gebildet Die Nuten 23 der Platten 12 stehen einander innerhalb jeden Plattenpaares 11 gegenüber. Die Nuten von einer Platte verlaufen dabei oberhalb der gegenüberliegenden Nuten der benachbarten Platte und schneiden diese, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist Dadurch wird ein im wesentlichen sinusförmiger Strömungsmittelweg für die Flüssigkeit geschaffen, die durch das Plattenpaar 11 zwischen der Einlaßöffnung 14 und der Auslaßöffnung 16 strömt Die einzelnen Plattenpaare werden aufeinandergestapelt wobei die Einlaßöffnungen 14, die Auslaßöffnungen 16 und die vergrößerten öffnungen 19 senkrecht aufeinander ausgerichtet und verklammert oder sonst miteinander befestigt werden.

Nach dem Zusammenbau sind sowohl die Rippen 22, 22' als auch die Flansche 15, 17 und 21 benachbarter Plattenpaare 11 in Anlage aneinander. Die Rippen liegen dabei an einem oder an mehreren Kreuzungspunkten miteinander an. Auf diese Weise werden die Einlaßöffnungen 14 so ausgerichtet daß sich eine kontinuierliche Verteilkammer 25 bildet Die ausgerichteten Auslaßöffnungen bilden eine kontinuierliche r> Sammelkammer 26 und die vergrößerten Öffnungen 19 sind so ausgerichtet daß sie eine vergrößerte Kammer bzw. einen Überlauftank 28 bilden.

Das Blech ist vorzugsweise mit einem geeigneten Lötmaterial so überzogen, daß bei Erwärmung die sich berührenden Abschnitte des Metalls sich verbinden bzw. zusammenschmelzen. Dadurch wird eine einstückige Wärmetauschereinheit gebildet

Beim unteren Plattenteil 29 des Wärmetauschers, das in F i g. 7 gezeigt ist, sind die Einlaß-, .lie Auslaß- und die 4 > vergrößerten Öffnungen bei 31,32 bzw. 33 geschlossen. Eine Ausprägung 34 ist im unteren Plattenteil 29 vorgesehen; sie bildet eine Brücke zwischen dem abgeschlossenen Auslaß 22 und der Kammer 28, die von den öffnungen 19 und den verbundenen Flanschen 21 ·-,» gebildet w;-d, und ermöglicht so zwischen diesen Stellen einen Strömungsmittelfluß. Am oberen Plattenteil 35 befinden sich Fittings 36,37, die mit den Flanschen 15, 17 verbunden sind und mit den öffnungen 14 bzw. 16 kommunizieren. Sie führen zur Strömungsmittelquelle v, bzw. zu einem Reservoir oder einem anderen Bestimmungsort für das behandelte Strömungsmittel. Außerdem ist ein Einfüllstutzen 38 am Flansch 21 im oberen Plattenteil 34 befestigt Er nimmt eine Druckkappe 39 auf und besitzt ein Oberiauffitting 41, wie dies bei m> Automobil-Wärmetauschern geläufig ist. Ein Entlüftungsfitting 42 mit einem Luftauslaßstopfen 43 ist außerdem in geeigneter Weise im Plattenteil 34 angeordnet und dient einem noch zu beschreibenden Zweck. 6^r-

Die vergrößerte Kariner 28 bildet einen Überlauftank, der einstückig mit dem Wärmetauscher 10 ist und sich über die Auslaßöffnungen 16 hinaus erstreckt und mit der Sammelkammer 26 über die Ausprägung 34 kommuniziert Zum Auffüllen des Systems werden die Einfüllkappe 39 und der Luftablaßstopfen 43 entfernt; der Wärmetauscher wird mit Flüssigkeit z· B. Kühlmittel, angefüllt so daß das Einlaßrohr 25, das Auslaßrohr 26 sowie der von den Kanälen 27 und dem Überlauftank 28 gebildete Kern vollständig mit Kühlmittel angefüllt sind. Dann werden die Druckkappe 39 und der Luftablaßstopfen 43 wieder angebracht Bei der ersten Erwärmung des Kühlsystems, an dem der Wärmetauscher 10 befestigt ist dehnt sich das Kühlmittel aus. Dies führt zu einem Auslaufen des Kühlmittels aufgrund der Betätigung der Druckkappe 39. Ein bestimmtes Kühlmittelvolumen, das kleiner als das Volumen des Überjauftankes 28 (ungefähr die Hälfte) ist wird über das Überlauffitting 41 abgelassen. Beim Abkühlen des Wärmetauschers 10 und des zugehörigen Kühlsystems geht das Kühlmittel auf sein normales Volumen zurück. Dabei wird Luft durch die Druckkanpe 39 eingesaugt und füllt einen Raum 44 im Überlau.iank 28 aus. Dieser Raum 44 macht ungefähr die Hälfte des, Volumens des Überlauftanks aus. Die Luft befindet sich unter atmosphärischem Druck. Dieser Luftraum 44 bildet ein Kissen, welches die Volumenveränderungen sowohl des Wärmetauschers als auch des darin befindlichen Kühlmittels kompensiert. Von dieser Zeit an fluktuiert beim zyklischen Betrieb das Niveau im Überlauftank 28 zwischen ungefähr halber und vollständiger Füllung. Der Wärmetauscher 10 bleibt dabei zu allen Zeiten einschließlich der Einlaß- und Auslaßrohre vollständig gefüllt.

Unter normalen Betriebsbedingungen tritt das zu kühlende Strömungsmittel am Einlaßfitting 36 und den Einlaßöffnungen 14 ein und gelangt durch die Plattenpaare 11 über den sinusförmigen Weg in den Strömungsmittelkanälen 27, der von den sich schneidenden Nuten 23 gebildet wird. Luft oder ein anderes kühlendes Strömungsmittel verläuft zwischen den Plattenpaaren 11 und zwischen den Rippen 22,22' durch den Wärmetauscher und sorgt für eine maximale Wärmeübertragung zwischen dem heißen Strömungsmittel und der Luft bzw. dem anderen kühlenden Strömungsmittel. Das gekühlte Strömungsmittel tritt durch die Auslaßöffnungen 16 zum Fitting 37 aus und kehrt zum Motor oder einer anderen Maschine zurück.

Die Fig. 7—9 zeigen eine andere Ausführungsform des Wärmetauschers. Dieser verwendet eine Mehrzahl horizontal angeordneter Plattenpaare 46. Jedes Plattenpaar ist aus zwei Blechschalenteilen 47 (siehe F i g. 8 und 9) gebildet. Jedes Teil besitzt eine Einlaßöffnung, die von einem angehobenen Flansch 48 gebildet wird, eine Auslaßöffnung, die von einem zweiten angehobenen Flansch 51 gebildet wird, und eine dritte öffnung 52, die von einem dritten angehobenen Flansch 53 gebildet wird. Die Einlaß- und Auslaßöffnungen sind aber einen Kernabschnitt 54 verbunden, der von längs verlaufenden, erhabenen rohrförmigen Abschnitten 55 gebildet wird, die durch Vertiefungen 56, 56 voneinander getrennt sind.

Die rohrförmigen Abschnitte 55 besitzen wesentlich geringere Höhe als die angehobenen Flansche 48, 51 und 53. Wenn also die Plattenpaare 46 zusammengebaut sind, stoßen die Flansche benachbarter Plattenpaare dicht aneinander ar, wogegen die Kernabschnitte in Abstand voneinander sind. Dadurch entstehen, wie in F i g. 7 gezeigt, längliche offene Rohre, die teilweise gefaltete oder gewellte Wärmetauscherrippen 57 aufnehmen können. Diese sind so angeordnet, daß sie

die Kernabschnitte berühren und eine Querströmung von Luft durch die Räume zwischen den Plattenpaaren ermöglichen.

Das oberste Plattenpaar des Wärmetauschers 45 besitzt ein sich nach oben öffnendes Blechschalenteil 47, das mit einem im wesentlichen planaren Blechteil 38 verbunden ist. Dieses besitzt am einen Ende ein Einlaßfilting 59, das ausgerichtet auf die Einlaßöffnungen und Flansche 48 befestigt ist. Am gegenüberliegenden Ende befindet sich ein Einfüllstutzen 61 für eine Druckkappe 62 und mit einem Überlauffitting 63. Dieser Einfüllstutzen ist auf die Öffnungen 52 und die Flansche 53 ausgerichtet. Ein Entlüftungsfitting 64 ist auf die Offnungen 49 und die Flansche 51 ausgerichtet und nimmt einen Luftauslaßstopfen 65 auf. Außerdem ist ein länglicher, längs verlaufender Rücken 60 in der Platte 58 ausgebildet, so daß in dieser Platte ein abgegrenzter Kanal gebildet wird. Dieser kommuniziert mit der Einlaßöffnung, der Auslaßöffnung 49 und der dritten Öffnung 52, welche den Überlauftank bildet.

Das untere Plattenpaar ist ebenfalls aus einem sich nach unten öffnenden Blechschalenteil 47 hergestellt, das mit einem im wesentlichen planaren Blechteil 66 verbunden ist. Dieses besitzt ein Auslaßfitting 67, welches auf die Offnungen 49 ausgerichtet ist und sich im wesentlichen gegenüber dem Entlüftungsfitting 64 im planaren Teil 58 befindet. Eine längliche Ausprägung befindet sich als eine Art Kanal im planaren Teil 66 und verbindet den von den Flanschen 51 gebildeten Raum mit dem von dem Flanschen 53 gebildeten Raum. Das Auslaßfitting 67 ist an der Ausprägung 68 angeordnet.

Wie bereits für die zuvor beschriebene Ausführungsform festgehalten wurde, werden die Plattenpaare zusammengebaut und miteinander verbunden, indem sie hart- oder weichgelötet werden, so daß die Flansche 48 eine Verteilkammer, die Flansche 49 eine Sammelkammer und die Flansche 53 einen Überlauftank bilden. Die Teile 47 für jedes Plattenpaar 46 werden dabei einander gegenüberliegend angeordnet und entlang ihrer Umfangsränder 69 miteinander verbunden. Das Einfüllen

ίο und der Betrieb dieses Wärmetauschers 45 geschieht wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß das Einlaßfitting 59 und das Auslaßfitting 67 sich diagonal gegenüber liegen, statt daß sie beide oben am Wärmetauscher angeordnet sind.

i-> Da diese Ausführungsform als Radiator für einen Automobilmotor verwendet wird, bei dem normalerweise die Kühlflüssigkeit während der Zirkulation durch das System Luft mit sich führt, ermöglicht der Rücken 60 den Durchgang von Luft, die sich in der Vcrteilkammer und/oder der Sammelkammer fängt, während sich die Flüssigkeit durch diese bewegt. In der Verteil- oder der Sammelkammer gefangene Luft gelangt durch den engen Kanal, der von dem Rücken in dem oberen Plattenpaar gebildet wird, und sammelt sich im

:5 Überlauftank. Dort trägt sie zum darin befindlichen Luftkissen bei. Der Rücken 60 sorgt für die Entlüftung während des Betriebs des Fahrzeugs und für die Entlüftung Deim Nachkochen. Er stellt sicher, daß nur Luft durch das Entlastungsventil an der Radiatorkappe

ic nach außen gelangt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Querstrom-Wärmetauscher mit einer Mehrzahl im wesentlichen identischer Platten, die paarweise ein$nder gegenüberliegend an ihren Umfangsrändem miteinander verbunden sind und parallele Strömungswege bilden, wobei jedes Plattenpaar eine Einlaßöffnung, eine Auslaßöffnung und einen zwischen diesen verlaufenden Kernabschnitt besitzt, der einen Strömungsweg zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung bildet, wobei die Plattenpaare mit ausgerichteten Öffnungen aufeinandergestapelt sind und jeweils durch eine durch je einen Hohlraum in den aufeinanderfolgenden Platten gebildete Verteilkammer die Einlaßöffnungen und eine in gleicher Weise gebildete Sammelkammer die Auslaßöffnungen miteinander verbindet, gekennzeichnet durch einen wie die Kammern (25,26) ausgebildeten Überla^'iank (28), der jenseits der Sammelkammer (26) ausgebildet ist und mit dieser über einem gemeinsamen Hohlraum (33) in der untersten Platte kommuniziert

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauftank (28) gegenüber der benachbarten Kammer (26) einen größeren Querschnitt hat.