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Die Erfindung betrifft Wärmetauscher
insbesondere für
Automobile.
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Sie betrifft insbesondere einen Wärmetauscher
mit einer Vielzahl gestapelter Platten, die jeweils mit einem hochgezogenen
peripheren Rand versehen sind, und bei dem die peripheren Ränder auf
dichte Weise zusammengefügt
sind, um zwischen den Platten erste Strömungskanäle für ein erstes Fluid zu begrenzen,
die sich mit zweiten Strömungskanälen für ein zweites
Fluid abwechseln, wobei der Wärmetauscher
außerdem
einen Einlass und einen Auslass für das erste Fluid sowie einen
Einlass und einen Auslass für
das zweite Fluid umfasst.
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Ein Wärmetauscher dieser Art, der
auch "Plattentauscher" oder "Lamellentauscher" genannt wird, ist
insbesondere aus der Veröffentlichung DE-A-195
11 991 bekannt. Ein derartiger Wärmetauscher
wird beispielsweise als Ölkühler für ein Automobil
verwendet, um für
die Kühlung
des Motoröls oder
auch die Kühlung
des Automatikgetriebes durch Wärmeaustausch
mit einem Kühlfluid
zu sorgen, üblicherweise,
demjenigen, das zur Kühlung
des Motors des Fahrzeugs dient.
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Bei einem Wärmetauscher dieser Art werden die
Platten üblicherweise
durch Tiefziehen eines Metallblechs hergestellt und so gestapelt,
dass ihre jeweiligen peripheren Ränder ineinander greifen und dann
miteinander hartverlötet
werden, um die Dichtheit zu gewährleisten;
dies gestattet es, Kanäle
für die
Zirkulation des Fluids zu definieren. Der Wärmetauscher geht somit aus
einem Plattenstapel hervor und erfordert kein Gehäuse.
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Es wird dann ein Einlassrohr und
ein Auslassrohr für
ein erstes Fluid, die mit einer ersten Reihe von Kanälen in Verbindung
stehen, sowie ein Einlassrohr und ein Auslassrohr für ein zweites
Fluid, die mit einer zweiten Reihe von Kanälen in Verbindung stehen, so
vorgesehen, dass die Kanäle
der ersten Reihe mit den Kanälen
der zweiten Reihe abwechseln.
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Die Platten besitzen Öffnungen,
die geradeaus von den vorgenannten Rohren liegen und abwechselnd
entweder durch Manschetten oder durch angebrachte Ringe abgedichtet
werden, um den Durchtritt des einen oder des anderen Fluids zu gewährleisten
oder zu unterbinden.
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Bei den bekannten Wärmetauschern
dieser Art werden üblicherweise
Platten zweier verschiedener Arten vorgesehen, die abwechselnd vorgesehen werden,
wodurch insbesondere die Materialkosten und die Werkzeugkosten erhöht werden.
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Diese Platten weisen einen im Großen und Ganzen
flachen Boden auf, und in jedem Strömungskanal ist ein Störelement
vorgesehen, um eine turbulente Strömung des Fluids und damit des
Wärmeaustauschs
zu fördern.
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Zudem ist es allgemein notwendig,
für das erste
Fluid und das zweite Fluid verschiedene Störelemente vorzusehen, wodurch
die Herstellung des Wärmetauschers
noch komplizierter wird.
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Somit erfordern all diese bekannten
Wärmetauscher
eine große
Anzahl verschiedener, zusammenzusetzender Teile.
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Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, die
vorgenannten Nachteile zu überwinden.
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Sie zielt hauptsächlich darauf, einen Plattenwärmetauscher
der vorstehend definierten Art bereitzustellen, der eine minimale
Anzahl verschiedener Teile umfasst und insbesondere keine Störelemente beinhaltet.
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Die Erfindung zielt ebenso darauf,
einen solchen Plattenwärmetauscher
bereitzustellen, der geeignet ist, den Wärmeübergang zwischen den zwei Fluiden
zu verbessern, ohne den Druckabfall der Leitung des ersten Fluids
und der Leitung des zweiten Fluids zu erhöhen.
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Ein dem Oberbegriff des Anspruchs
entsprechender Wärmetauscher
ist aus der GB 2 278 430 bekannt.
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Die Erfindung schlägt hierzu
einen Wärmetauscher
der in der Einleitung definierten Art vor, bei dem die Platten zueinander
identisch sind und die allgemeine Form eines Quadrats aufweisen,
die Platten jeweils einen Boden mit Wellen aufweisen, die durch Erzeugende
definiert werden, die sich in eine gegebene Richtung erstrecken,
und diese Platten abwechselnd angeordnet sind, indem sie um 90° zu der (den)
benachbarten Platte(n) gedreht so sind, dass jeder Kanal durch sich
unter 90° kreuzende
Wellen begrenzt wird, und bei dem der Einlass und der Auslass des
ersten Fluids im Wesentlichen auf einer Diagonalen des Quadrats
liegen, während
der Einlass und der Auslass des zweiten Fluids im Wesentlichen auf
einer anderen Diagonale des Quadrats liegen.
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Der Wärmetauscher wird so aus Platten
einer einzigen Art gebildet, wodurch die Anzahl der Arten von Teilen
reduziert wird und die Montagevorgänge erleichtert werden.
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Es werden somit dreidimensionale
Kanäle besonderer
Form definiert, die jeder zwischen zwei gewellten Böden eingegrenzt
sind, deren jeweilige Wellen sich in im Wesentlichen zueinander
senkrechten Richtungen erstrecken.
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Da die Fluideinlässe und -auslässe auf
Diagonalen des Quadrats angeordnet sind, ist es zudem möglich, eine
Platte über
einer anderen anzuordnen, indem man sie um 90° dreht.
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Die Wellen ergeben einen vorbestimmten und
für die
beiden Fluide gleichen Wert des hydraulischen Durchmessers.
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Es wird daran erinnert, dass bei
einem derartigen dreidimensionalen Kanal der hydraulische Durchmesser
durch die Beziehung Dh = 4 × von dem Fluid
eingenommenes Volumen/benetzte Oberfläche definiert ist.
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Erfindungsgemäß besitzt jeder Kanal einen hydraulischen
Durchmesser (Dh) mit einem ausgewählten Wert,
der durch die Beziehung Dh = 2.h definiert
ist, wobei h die Höhe
des Kanals darstellt, das heißt
die Hälfte
des maximalen Abstands zwischen den entsprechenden Kämmen der
Wellen einer ersten Platte und den entsprechenden Kämmen der Wellen
einer zweiten benachbarter Platte.
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Es hat sich herausgestellt, dass,
wenn der Wert des hydraulischen Durchmessers Dh zwischen 1
und 3 mm gewählt
wird, ein optimaler Wärmeaustausch
zwischen den zwei Fluiden ohne Erhöhung des Druckabfalls des einen
und anderen dieser Fluide erhalten wird.
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Vorteilhafterweise ist der Wert des
hydraulischen Durchmessers Dh im Wesentlichen
gleich 1,8 mm.
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Bei der Erfindung haben die Wellen
von zwei benachbarten Platten wechselseitig Kontakt.
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Die Wellen der Platten sind vorteilhafterweise
im Wesentlichen sinusförmig.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung werden die Platten durch Tiefziehen eines Metallblechs,
vorzugsweise auf Aluminiumbasis, geformt.
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Die hochgezogenen Ränder der
Platten werden durch Hartlöten
miteinander zusammengefügt.
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Bei einer bevorzugten Anwendung der
Erfindung wird der Wärmetauscher
in Form eines Ölkühlers für ein Automobil
ausgeführt,
bei dem eines der Fluide das Öl
eines Motors oder das Öl
eines Automatikgetriebes eines Automobils ist, während das andere Fluid ein
Kühlfluid
ist.
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In der folgenden Beschreibung, die
nur ein Beispiel darstellt, wird auf die folgenden beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen:
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1 ist
eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers;
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2 ist
eine Teilschnittansicht des Wärmetauschers
der 1; und
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3 ist
eine Draufsicht des Wärmetauschers
der 1.
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Der in 1 dargestellte
Wärmetauscher umfasst
eine Vielzahl von Platten 10, die auch "Halblamellen" genannt werden und längs einer
Montage- oder Stapelrichtung entsprechend einer sogenannten "schuppenförmigen" Montagetechnik gestapelt werden.
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Die Platten 10 sind hier
zueinander identisch und weisen jeweils einen Boden 12 auf,
der von einem peripheren Rand 14 umgeben ist, der im Großen und
Ganzen flach und nach oben hochgezogen ist. Der Boden 12 besitzt
hier die Form eines Quadrats mit abgerundeten Ecken und ist mit
im Wesentlichen sinusförmigen
Wellen 16 versehen, die durch untereinander parallele und
zu den gegenüberliegenden Seiten 18 des
Quadrats parallele und damit zu den zwei anderen gegenüberliegenden
Seiten 20 des Quadrats senkrechte Erzeugende definiert
werden (1 und 3).
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Die Platten 10 werden durch
Tiefziehen eines Metallblechs, vorzugsweise auf Aluminiumbasis, gebildet,
das vorteilhafterweise mit einer Lotschicht auf zumindest einer
seiner Seiten beschichtet ist.
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Um den Wärmetauscher zu bilden, werden die
Platten 10 gestapelt und kommen so an ihrer Peripherie
durch ihre jeweiligen hochgezogenen Ränder 14 in Kontakt,
die miteinander verlötet
werden, um eine mechanisch dichte Verbindung zu gewährleisten.
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Die Platten 10 werden abwechselnd
angeordnet, indem sie jedes Mal um 90° in Bezug zu der (den) benachbarten
Platte(n) gedreht werden, so dass die jeweiligen Wellen 16 von
zwei benachbarten Platten sich in 90° kreuzen (2). Die Wellen zweier benachbarter Platten 10 haben
zudem Kontakt miteinander.
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Die Platten 10 begrenzen
auf diese Weise zwischen sich Kanäle 22 für ein erstes
Fluid F1, die mit Kanälen 24 für ein zweites
Fluid F2 abwechseln.
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Der Wärmetauscher umfasst außerdem (1) ein Einlassrohr 26 und
ein Auslassrohr 28 für das
erste Fluid F1 sowie ein Einlassrohr 30 und ein Auslassrohr 32 für das zweite
Fluid F2.
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Die Rohre 26 und 28 liegen
auf einer Diagonalen des Quadrats, das von der an einem Ende des Stapels
gelegenen Platte 10 gebildet wird, und die Rohre 30 und 32 liegen
auf einer anderen Diagonalen dieses Quadrats (3). Die Rohre 26, 28, 30 und 32 sind
jeweils an vier kreisförmigen Öffnungen 34, 36, 38 und 40 der
oberen Platte des Stapels (3)
angebracht. Diese Öffnungen
haben alle den gleichen Durchmesser und liegen im gleichen Abstand
von der Mitte des Quadrats. Wenn die Platten 10 gestapelt
werden, können
sie somit untereinander durch vier Reihen ausgerichteter Öffnungen
in Verbindung stehen.
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Die Rohre 26, 28, 30 und 32 setzen
sich im Inneren des Stapels fort und es sind Mittel vorgesehen,
die es gestatten, die Rohre 26 und 28 mit den ersten
Kanälen 22 einerseits
und die Rohre 30 und 32 mit den zweiten Kanälen 24 andererseits
in Verbindung zu bringen. Diese an sich bekannten Verbindungsmittel
werden nicht beschrieben. Einzelheiten zu diesem Thema können insbesondere
in der vorgenannten Veröffentlichung
DE-A-195 11 991
gefunden werden.
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Die jeweiligen Wellen 16 der
Platten 10 gestatten es, den Kanälen 22 und 24 eine
besondere dreidimensionale Struktur zu verleihen, die eine turbulente
Strömung
des Fluids F1 und des Fluids F2 und folglich einen guten Wärmeaustausch
zwischen ihnen begünstigt.
Dies gestattet es, die Störelemente wegzulassen,
die bisher bei dieser Art von Plattenwärmetauschern als notwendig
galten.
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Das Fließen der Fluide F1 und F2 in
den Kanälen
erfolgt in 90° relativ
zu den Wellen, wie durch den Pfeil E für das Fluid F2 angezeigt wird
(3).
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Bei der Erfindung ist es zudem wichtig,
dass der hydraulische Durchmesser der Kanäle 22 und 24 einen
ausgewählten
Wert aufweist.
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Als allgemeine Regel ist der hydraulische Durchmesser
Dh durch die Beziehung Dh =
4 × von dem
Fluid eingenommenes Volumen/benetzte Oberfläche definiert.
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Hier kann im Fall eines Kanals geringer
Dicke der hydraulische Durchmesser Dh auf
vereinfachte Weise durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden:
Dh = 2 × h,
wobei h die mittlere Höhe
des Kanals darstellt.
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Bezug auf 2 nehmend stellt h den maximalen Abstand
zwischen den entsprechenden Kämmen 40 und 42 der
jeweiligen Öffnungen 16 von
zwei benachbarten Platten 10 dar.
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Der Wert des hydraulischen Durchmessers Dh muss zwischen 1 und 3 mm liegen. Vorteilhafterweise
ist dieser Wert im Wesentlichen gleich 1,8 mm.
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Der Wärmetauscher bildet vorteilhafterweise einen Ölkühler. Er
kann dazu verwendet werden, das Öl
eines Motors oder das Öl
des Automatikgetriebes eines Automobils zu kühlen. In diesem Fall besteht eines
der Fluide aus diesem Öl,
während
das andere Fluid aus einem Kühlfluid
besteht. Dieses letztere ist vorteilhafterweise die Flüssigkeit,
die üblicherweise zum
Kühlen
des Motors des Automobils dient.
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Wenn der Wärmetauscher zum Kühlen des Motoröls verwendet
wird, dann wird er entweder direkt an dem Motorblock oder an einem
direkt mit dem Motor verbundenen Filtergehäuse befestigt. Der Tauscher
kann dann durch Leitungen mit dem Kühlflüssigkeitskreislauf verbunden
werden.
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Im Falle der Kühlung des Öls des Automatikgetriebes kann
der Wärmetauscher
mit direkt an der Ölwanne
des Getriebes angeschlossen werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass
ein derartiger Wärmetauscher
eine Verbesserung des Wärmeaustauschs
zwischen den zwei Fluiden ohne Erhöhung des Druckabfalls des Fluids
des Ölkreislaufs und
des Kühlflüssigkeitskreislaufs
gestattet. Versuche haben gezeigt, dass im Vergleich zu einem herkömmlichen,
mit Störelementen
versehenen Plattenwärmetauscher
der erfindungsgemäße Wärmetauscher
eine Wärmeleistung
ergibt, die größer als
15% sein kann, und einen Druckabfall, der um 30 bis 40% reduziert
sein kann.
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Die Erfindung ist natürlich nicht
auf die zuvor exemplarisch beschriebene Ausführung beschränkt, sondern
erstreckt sich ebenso auf andere Varianten.