EP2789962A1

EP2789962A1 - Stacked plate heat exchanger

Info

Publication number: EP2789962A1
Application number: EP20140164065
Authority: EP
Inventors: Markus Wesner; Dr. rer. nat. Günther Feuerecker; Holger Albiez
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2014-10-15
Also published as: DE102013206248A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmetauscher, umfassend mehrere aufeinander gestapelte und miteinander verbundene längliche Scheiben (1, 2, 3), die einen Hohlraum zur Durchführung eines zu kühlenden Mediums in Längsrichtung der Scheiben (1, 2, 3) aufweisen und einen weiteren Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels begrenzen, wobei Zu- und Abflüsse (10, 11; 12, 13) für das zu kühlende Medium und das Kühlmittel vorhanden sind. Bei einem Stapetscheiben-Wärmetauscher, welcher trotz verringerter Bauteilekosten eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist, ist mindestens jede zweite Scheibe (1, 2, 3) einen Strömungswiderstand des zu kühlenden Mediums und/oder des Kühlmittels verändernd positioniert und/oder geformt.The invention relates to a stacked-plate heat exchanger, comprising a plurality of stacked and interconnected elongated discs (1, 2, 3) having a cavity for passage of a medium to be cooled in the longitudinal direction of the discs (1, 2, 3) and a further cavity for the passage of a coolant, wherein inflows and outflows (10, 11, 12, 13) for the medium to be cooled and the coolant are present. In a stacked-plate heat exchanger, which has high performance despite reduced component costs, at least every other disc (1, 2, 3) is positioned and / or shaped to alter a flow resistance of the medium to be cooled and / or of the coolant.

Description

Technical area

Die Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a stacked plate heat exchanger according to the preamble of claim 1.

State of the art

Im Kühlerbau für Kraftfahrzeuge sind Stapelscheiben-Wärmetauscher hinlänglich bekannt, welche Luft, die einem Verbrennungsmotor zugeführt wird, durch ein Ölkühlmittel oder eine Luftkühlung kühlen. Solche Stapelscheiben-Wärmetauscher bestehen gemäß der EP 1 843 116 A2 aus einer Vielzahl von gleich geformten Scheiben mit einem umlaufenden, hochgestellten Rand und napfförmigen Ausprägungen. Die Scheiben sind zu einem Stapel geschichtet und im Bereich der umlaufenden Ränder verlötet. Durch die Verlötung der Scheiben im Bereich der napfförmigen Ausprägungen werden senkrecht zu den Scheibenebenen verlaufende Sammel- und Verteilerkanäle sowohl für das zu kühlende Medium als auch für das Kühlmittel erzeugt.In radiator construction for motor vehicles, stacked disk heat exchangers are well known, which cool air supplied to an internal combustion engine by means of an oil coolant or air cooling. Such stacked plate heat exchangers are made according to the EP 1 843 116 A2 from a plurality of identically shaped discs with a circumferential, raised edge and cup-shaped characteristics. The disks are stacked in a stack and soldered in the area of the peripheral edges. By soldering the discs in the area of the cup-shaped characteristics perpendicular to the disc planes extending collection and distribution channels are generated both for the medium to be cooled and for the coolant.

Die Ein- und Austritte für das Kühlmittel bzw. das zu kühlende Medium sind dabei für einen versetzten Gegenstrom des Kühlmittels bzw. des zu kühlenden Mediums angeordnet, wie es aus Figur 1 ersichtlich ist. Figur 1 zeigt drei ausgewählte Scheiben 1, 2, 3, welche jeweils einen Eintritt 4 und einen Austritt 5 für das zu kühlende Medium aufweisen. Gleichzeitig ist in jeder Scheibe 1, 2, 3 für das Kühlmittel ein Eintritt 6 und ein Austritt 7 vorgesehen. Durch die Pfeile P1 ist die Verteilung des zu kühlenden Mediums dargestellt, während die Pfeile P2 die Strömungsrichtung des Kühlmittels charakterisieren.The inlets and outlets for the coolant or the medium to be cooled are arranged for an offset countercurrent of the coolant or the medium to be cooled, as it is made FIG. 1 is apparent. FIG. 1 shows three selected ones Discs 1, 2, 3, which each have an inlet 4 and an outlet 5 for the medium to be cooled. At the same time an inlet 6 and an outlet 7 is provided in each disc 1, 2, 3 for the coolant. By the arrows P1, the distribution of the medium to be cooled is shown, while the arrows P2 characterize the flow direction of the coolant.

Besonders bei Kältemittelverdampfern, wie beispielsweise bei einem Chiller, entsteht das Problem, dass sich in jedem Strömungskanal eine ungleichmäßige Fluidverteilung, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, ausbildet. Dabei entsteht auf dem direkten Weg beispielsweise zwischen dem Eintritt 4 und dem Austritt 5 des zu kühlenden Mediums eine sehr starke Strömung, während entfernt von dem Eintritt 4 und dem Austritt 5 sich die Strömung des zu kühlenden Mediums abschwächt. Zusätzlich kommt hinzu, dass sich die jeweils stark durchströmten Seiten zwischen benachbarten Strömungskanälen des zu kühlenden Mediums und des Kühlmittels nicht überdecken. Dies hat zur Folge, dass der Wärmeübergang an jeder Scheibe 1, 2, 3 aufgrund einer einseitig schwachen Strömung limitiert wird.Especially with refrigerant evaporators, such as in a chiller, the problem arises that in each flow channel uneven fluid distribution, as in FIG. 2 is shown, trains. This creates on the direct path, for example, between the inlet 4 and the outlet 5 of the medium to be cooled, a very strong flow, while away from the inlet 4 and the outlet 5, the flow of the medium to be cooled attenuates. In addition, there is the fact that the respective strongly flowed through sides between adjacent flow channels of the medium to be cooled and the coolant do not overlap. This has the consequence that the heat transfer to each disc 1, 2, 3 is limited due to a one-sided weak flow.

Diese nachteilige Verteilung tritt insbesondere bei einem zweiphasigen Kältemittel auf.This disadvantageous distribution occurs in particular in a two-phase refrigerant.

Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeiten in einem Strömungskanal und durch die Gestaltung des Strömungskanals kommt es zur Ausbildung von verschiedenen Strömungswiderständen, die in ihrer Größe variieren. Wie beispielsweise in Figur 4a dargestellt, welche die Strömungswiderstände bei einer linear durchströmten Scheibe 1 verdeutlicht, sind alle Strömungswiderstände unterschiedlich, d.h. R₁ ≠ R₂ ≠ R₃ ≠ R₄ ≠ R₅, wobei beispielsweise R₁ < R₂ > R₃ > R₄ > R₅ sein kann. Strömungswiderstände bei einer diagonal durchströmten Scheibe 1 sind in Figur 4b dargestellt, wobei die Hauptströmungsrichtung den größten Widerstand R₂ aufweist, während der oberhalb von R₂ liegende Widerstand R₁ genauso wie der unterhalb von R₂ liegende Strömungswiderstand R₃ kleiner sind als der Strömungswiderstand R₂.Due to the uneven distribution of the fluids in a flow channel and the design of the flow channel, it comes to the formation of different flow resistances that vary in size. Such as in FIG. 4a shown, which illustrates the flow resistance in a linear flow-through disk 1, all flow resistances are different, ie R ₁ ≠ R ₂ ≠ R ₃ ≠ R ₄ ≠ R ₅ , wherein, for example, R ₁ <R ₂ > R ₃ > R ₄ > R ₅ can be. Flow resistances in a diagonal flowed through disc 1 are in FIG. 4b shown, wherein the main flow direction has the largest resistance R ₂ , while the above R ₂ resistor R ₁ as well as that of R ₂ below lying flow resistance R _{3 are} smaller than the flow resistance R ₂ .

Die in den Figuren 2, 4a und 4b gezeigten Verteilungen der Teilströme bzw. der Strömungswiderstände stellen jeweils eine für eine bessere Darstellbarkeit durchgeführte Vereinfachung der tatsächlich auftretenden Verhältnisse dar. Zur besseren Darstellung wurde die durchströmte Fläche in einzelne Segmente R1 bis R5 aufgeteilt. Die Anzahl der Segmente ist dabei lediglich beispielhaft und dient hauptsächlich dazu die grundsätzlichen Tendenzen der Ausbildung der Strömungswiderstände zu erläutern.The in the Figures 2 . 4a and 4b The distributions of the partial flows or of the flow resistances shown in each case represent a simplification of the actually occurring relationships, which is carried out for better representability. For a better illustration, the surface through which flowed was divided into individual segments R1 to R5. The number of segments is merely exemplary and mainly serves to explain the basic tendencies of the formation of the flow resistances.

Die schlechte Fluidverteilung führt bei solchen Stapelscheiben-Wärmetauschern zu einem massiven Leistungsverlust. Um die Leistung zu verbessern, müssen entsprechend mehr Stapelscheiben übereinander positioniert werden.The poor fluid distribution leads to a massive power loss in such stacked plate heat exchangers. To improve the performance, more stacking disks must be positioned one above the other.

Presentation of the invention, object, solution, advantages

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stapelscheiben-Wärmetauscher zu schaffen, der trotz reduzierter Anzahl der Einzelteile eine hohe Leistungsdichte gewährleistet.It is the object of the invention to provide a stacked plate heat exchanger, which ensures a high power density despite reduced number of items.

Dies wird erreicht nach den Merkmalen von Anspruch 1, wonach mindestens jede zweite Scheibe einen Strömungswiderstand des zu kühlenden Mediums und/oder des Kühlmittels verändernd positioniert und/oder geformt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Übertragungsfläche der Scheiben verschiedene lokale Anpassungen der druckverlustbestimmten Querschnittsfläche ermöglicht. Dadurch können die Strömungswiderstände auf der stark durchströmten Seite erhöht und auf der gegenüberliegenden, weniger stark durchströmten Seite reduziert werden, was dazu führt, dass eine homogenere Verteilung des Kühlmittels bzw. des zu kühlenden Mediums über der Scheibe erreicht wird. Aufgrund dieser homogenen Verteilung wird eine bessere Überdeckung der Fluidströme erreicht, was zu einer höheren Leistungsdichte des Stapelscheiben-Wärmetauschers führt. Idealerweise kann dabei die Anzahl der Scheiben reduziert werden, wodurch die Gesamtherstellungskosten deutlich vermindert werden.This is achieved according to the features of claim 1, wherein at least every second disc is positioned and / or shaped to alter a flow resistance of the medium to be cooled and / or of the coolant. This has the advantage that the transfer surface of the disks enables various local adjustments of the pressure loss-determined cross-sectional area. As a result, the flow resistances can be increased on the strongly flow-through side and reduced on the opposite, less strongly flowed through side, which leads to a more homogeneous distribution of the coolant or of the medium to be cooled over the disk is achieved. Because of this homogeneous distribution will be a better Overflow of the fluid flows achieved, resulting in a higher power density of the stacked plate heat exchanger. Ideally, the number of slices can be reduced thereby significantly reducing the overall production costs.

Vorteilhafterweise sind die zwei benachbart übereinander liegenden Scheiben unparallel zueinander ausgerichtet. Durch diese unparallele Ausrichtung erfolgt eine Verteilung des zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels über die gesamte Fläche der Scheiben, was zu der gewünschten besseren Fluidverteilung führt. Diese unparallele Ausrichtung stellt eine einfach handhabbare Maßnahme ohne zusätzliche Verfahrensschritte dar. Durch die unparallele Ausrichtung der Scheiben zueinander kann ein über die Fläche zwischen den Scheiben veränderlicher Verlauf des sich dem Medium entgegenstellenden Strömungswiderstandes erreicht werden. Dies führt zu einer besseren Verteilung des Mediums zwischen den Scheiben. Die Veränderung des Strömungswiderstandes resultiert dabei hauptsächlich aus einer Veränderung der durchströmten Querschnittsfläche. Bereiche mit einem größeren Abstand zwischen zwei benachbarten Scheiben erzeugen einen geringeren Strömungswiderstand als Bereiche mit geringerem Abstand. Der entstehende Druckverlust für das Medium ist dabei abhängig vom Strömungswiderstand.Advantageously, the two adjacent superimposed discs are aligned unparallel to each other. This unparallel alignment results in a distribution of the medium to be cooled or the coolant over the entire surface of the discs, which leads to the desired better fluid distribution. This unparallel alignment is an easily manageable measure without additional process steps. Due to the unparallel alignment of the discs to each other over the surface between the discs variable course of the medium opposing flow resistance can be achieved. This leads to a better distribution of the medium between the discs. The change in the flow resistance results mainly from a change in the flow cross-sectional area. Areas with a greater distance between two adjacent disks produce a lower flow resistance than areas with a smaller distance. The resulting pressure loss for the medium is dependent on the flow resistance.

In einer Ausgestaltung sind die Scheiben um eine Achse zueinander geneigt, wobei vorzugsweise ein erster Abstand an einem ersten Ende der benachbart übereinander angeordneten Scheiben größer ist als ein zweiter Abstand an einem zweiten Ende der benachbart übereinander liegenden Scheiben. Durch die Neigung verteilt sich das zu kühlende Medium bzw. das Kühlmittel kontinuierlich über die gesamte Ausdehnung der jeweiligen Scheibe, wodurch eine verbesserte Überdeckung der Fluidströme in den unterschiedlichen, durch die Scheiben gebildeten, als Strömungskanäle dienenden Hohlräumen erreicht wird.In one embodiment, the disks are inclined relative to each other about an axis, wherein preferably a first distance at a first end of the adjacent disks arranged one above the other is greater than a second distance at a second end of the adjacent disks lying one above the other. Due to the inclination, the medium to be cooled or the coolant is distributed continuously over the entire extent of the respective disc, whereby an improved coverage of the fluid flows in the different, formed by the discs, serving as flow channels cavities is achieved.

Vorteilhafterweise werden dadurch die Strömungswiderstände auf der stark durchströmten Seite erhöht und auf der gegenüberliegenden weniger stark durchströmten Seite erniedrigt. Dies führt dazu, dass eine homogenere Verteilung der Stoffströme über die Scheibe erreicht wird. Aufgrund dieser homogenen Verteilung wird eine bessere Überdeckung der Stoffströme in zueinander benachbarten Hohlräumen erreicht, was zu einer höheren Leistungsdichte des Stapelscheiben-Wärmetauschers führt.Advantageously, this increases the flow resistance on the strongly flow-through side and lowers it on the opposite, less strongly flowed through side. This leads to a more homogeneous distribution of the material flows across the disk. Due to this homogeneous distribution better coverage of the streams is achieved in mutually adjacent cavities, resulting in a higher power density of the stacked plate heat exchanger.

In einer Weiterbildung sind die zwei benachbart übereinander liegenden Scheiben in einem Winkel zwischen 0° bis 5°, dabei bevorzugt zwischen 0,1° und 2°, zueinander geneigt. Durch diese Schiefstellung wird der Strömungswiderstand am vorteilhaftesten verändert und eine kontinuierliche Verteilung des Fluids realisiert.In a further development, the two adjacent disks lying one above the other are inclined relative to one another at an angle between 0 ° and 5 °, in this case preferably between 0.1 ° and 2 °. By this misalignment of the flow resistance is most advantageously changed and realizes a continuous distribution of the fluid.

In einer Weiterbildung ist eine erste Scheibe waagerecht positioniert, während eine benachbarte zweite Scheibe zur ersten Scheibe geneigt ist. Da bei dieser Ausbildung des Stapelscheiben-Wärmetauschers nur jede zweite Scheibe geneigt positioniert werden muss, vereinfacht sich die Montage.In a further development, a first disc is positioned horizontally, while an adjacent second disc is inclined to the first disc. Since in this embodiment of the stacked plate heat exchanger only every other disc must be positioned inclined, the assembly is simplified.

In einer Variante sind die beiden benachbart übereinander liegenden Scheiben in Richtung einer Hauptströmung und/oder in Richtung einer Nebenströmung geneigt. Diese Neigung kann einfach in Abhängigkeit davon festgelegt werden, ob die Scheiben linear oder diagonal durchströmt werden. Dadurch wird der Strömungswiderstand des zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels in gewünschter Art und Weise verändert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Neigung der Scheiben zueinander derart gestaltet ist, dass die durch die Neigung resultierende Veränderung des Strömungswiderstandes zu einer homogeneren Verteilung des Stoffstromes über die Fläche der Scheiben führt.In a variant, the two disks lying next to one another are inclined in the direction of a main flow and / or in the direction of a secondary flow. This slope can be easily determined depending on whether the slices are traversed linearly or diagonally. As a result, the flow resistance of the medium to be cooled or the coolant is changed in the desired manner. It is particularly advantageous if the inclination of the disks relative to each other is such that the change in the flow resistance resulting from the inclination leads to a more homogeneous distribution of the material flow over the surface of the disks.

Alternativ weisen die Scheiben eine Wellung auf, wobei die Ausprägung der Wellung vorzugsweise über die Ausdehnung der Scheibe variiert. Durch die Einbringung dieser Wellung werden die Strömungswiderstände lokal über unterschiedliche Wellenlängen des strömenden Mediums beeinflusst.Alternatively, the discs have a corrugation, wherein the expression of the corrugation preferably varies over the extent of the disc. By introducing this corrugation, the flow resistances are locally influenced by different wavelengths of the flowing medium.

Vorteilhafterweise vergrößert sich die Ausprägung der Wellung in eine vorgegebene Richtung der Scheiben. Dadurch nimmt die Wellenlänge des fließenden Mediums zu, wodurch der Strömungswiderstand verringert wird. Insbesondere kann die Wellung dabei eine sich ändernde Wellenlänge aufweisen. Die Wellenlänge kann sich dabei beispielsweise verkürzen oder verlängern. Durch die Einbringung der Wellung werden die Strömungswiderstände lokal über die unterschiedlichen Wellenlängen der den Hohlraum begrenzenden Kontur der Scheibe beeinflusst. Die Wellenlänge der Kontur der Scheiben wird dabei, im Falle eines vollständig mit einem Medium gefüllten Hohlraumes, auch dem Medium aufgezwängt. Die Bereiche des Hohlraumes, welche durch eine Kontur mit einer großen Wellenlänge begrenzt sind, erzeugen einen geringen Strömungswiderstand, während die Bereiche des Hohlraumes, welche durch eine Kontur mit einer kleinen Wellenlänge begrenzt sind, einen großen Strömungswiderstand erzeugen.Advantageously, the expression of the corrugation increases in a predetermined direction of the discs. As a result, the wavelength of the flowing medium increases, whereby the flow resistance is reduced. In particular, the corrugation may have a changing wavelength. The wavelength can be shortened or lengthened, for example. By introducing the corrugation, the flow resistances are locally influenced by the different wavelengths of the cavity defining the contour of the disc. In this case, the wavelength of the contour of the disks is also forced in the medium, in the case of a cavity completely filled with a medium. The regions of the cavity bounded by a large wavelength contour create a low flow resistance while the regions of the cavity bounded by a small wavelength contour produce a large flow resistance.

In einer Variante ist die Ausprägung der Wellung über eine Fläche der Scheibe alternierend ausgebildet. Eine solche Gestaltung empfiehlt sich insbesondere für die Erzeugung einer kontinuierlichen Strömung bei diagonal durchströmten Scheiben, wo die Strömungswiderstände unterschiedlicher Größe über die Fläche der Scheibe verteilt sind.In one variant, the expression of the corrugation over a surface of the disc is formed alternately. Such a design is particularly recommended for the generation of a continuous flow in diagonally flowed through discs, where the flow resistances of different sizes are distributed over the surface of the disc.

In einer weiteren Alternative weist wenigstens eine Scheibe mindestens ein Amplitudenbeeinflussungselement zur Veränderung der Amplitude des durch die als Hohlräume ausgebildeten Strömungskanäle strömenden zu kühlenden Mediums bzw. des Kühlmittels auf. Durch unterschiedliche Amplituden können die Strömungswiderstände im Hohlraum ebenfalls verändert werden, wodurch eine kontinuierliche Fluidverteilung im Hohlraum erreicht und eine bessere Überdeckung der Flüssigkeitsströme realisiert wird.In a further alternative, at least one disc has at least one amplitude influencing element for changing the amplitude of the medium or the coolant to be cooled flowing through the flow channels designed as cavities. By varying amplitudes, the flow resistance in the cavity can also be changed, thereby achieves a continuous fluid distribution in the cavity and a better coverage of the liquid streams is realized.

In einer Ausgestaltung weist die Wellung eine sich ändernde Amplitude auf, die sich vergrößert oder verringert. Durch die Änderung der Amplitude wird zwischen den Scheiben zumindest eine schiefe Ebene erzeugt. Eine schiefe Ebene korreliert dabei jeweils mit einem Bereich zunehmender oder abnehmender Amplitude. Über diese schiefe Ebene kann eine vorteilhafte Verteilung des Stoffstromes erreicht werden. Vorteilhafterweise wird die schiefe Ebene in Abhängigkeit davon festgelegt, ob die Hohlräume zwischen den Scheiben linear oder diagonal durchströmt werden. Dadurch wird der Strömungswiderstand, der dem Stoffstrom entgegengesetzt wird, derart verändert, dass eine vorteilhaftere Strömung entsteht.In one embodiment, the corrugation has a varying amplitude that increases or decreases. By changing the amplitude, at least one inclined plane is generated between the discs. An inclined plane correlates in each case with an area of increasing or decreasing amplitude. About this inclined plane, an advantageous distribution of the material flow can be achieved. Advantageously, the inclined plane is determined as a function of whether the cavities between the disks are traversed linearly or diagonally. As a result, the flow resistance, which is opposed to the material flow, changed so that a more advantageous flow is formed.

Auch kann es vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungswiderstand in einem Hohlraum quer zu einer Strömungsrichtung eines Stoffstromes in diesem Hohlraum erstreckt.It may also be advantageous if the flow resistance extends in a cavity transversely to a flow direction of a stream in this cavity.

Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die Zuflüsse und/oder Abflüsse eines ersten Stoffstromes, welcher durch einen ersten Hohlraum strömt, auf einer ersten Längsseite einer den ersten Hohlraum begrenzenden Scheibe angeordnet sind und die Zuflüsse und/oder Abflüsse eines zweiten Stoffstromes, welcher in einem zum ersten Hohlraum benachbarten zweiten Hohlraum strömt, auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite angeordnet sind.Furthermore, it is preferable if the inflows and / or outflows of a first material flow, which flows through a first cavity, are arranged on a first longitudinal side of a disc bounding the first cavity and the inflows and / or outflows of a second material flow, which in one flows to the first cavity adjacent second cavity, are arranged on one of the first longitudinal side opposite the second longitudinal side.

Auch ist es zweckmäßig, wenn der Zufluss und der Abfluss einer Scheibe sich diagonal gegenüber in den Eckbereichen einer Scheibe angeordnet sind.It is also expedient if the inflow and outflow of a disk are arranged diagonally opposite in the corner regions of a disk.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Wellung eine sich ändernde Wellenlänge aufweist, die sich kontinuierlich verkürzt oder verlängert.In an advantageous embodiment of the invention, it may be provided that the corrugation has a changing wavelength, which is continuously shortened or extended.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Wellung eine konstante Wellenlänge und/oder eine konstante Amplitude aufweist.Furthermore, it is advantageous if the corrugation has a constant wavelength and / or a constant amplitude.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Querschnittsform der Wellung in Längsrichtung kontinuierlich von einem sinusförmigen Kurvenverlauf in einen rechteckförmigen Kurvenverlauf übergeht oder umgekehrt.An alternative embodiment provides that the cross-sectional shape of the corrugation in the longitudinal direction continuously changes from a sinusoidal curve to a rectangular curve or vice versa.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Strömungswiderstand durch einen Prägevorgang erzeugbar ist.It is also advantageous if the flow resistance can be generated by an embossing process.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.Further advantageous embodiments are described by the following description of the figures and by the subclaims.

Brief description of the drawings

Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Stapelscheiben-Wärmetauscher nach dem Stand der Technik,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Strömungsführung bei einem Stapelscheiben-Wärmetauscher nach Fig. 1,
Fig. 3: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
Fig. 4a und 4b: Darstellung der Strömungswiderstände bei linear bzw. diagonal durchströmten Scheiben,
Fig. 5: Prinzipdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, wobei die einzelnen Scheiben in einem Winkel α zueinander geneigt sind,
Fig. 6: perspektivische Darstellung eines Schnittes des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, wobei die Scheiben eine Wellung aufweisen,
Fig. 7: ein Ausführungsbeispiel für eine Scheibenwellung, und
Fig. 8: ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Geometrie der Stapelscheiben mit verbesserter Fluidführung.

The invention will be explained in more detail on the basis of at least one embodiment with reference to the drawings. Show it:

Fig. 1: A first embodiment of a stacked plate heat exchanger according to the prior art,
Fig. 2: a schematic representation of the flow guide in a stacked plate heat exchanger according to Fig. 1 .
Fig. 3: A first embodiment of a heat exchanger according to the invention,
Fig. 4a and 4b: Representation of the flow resistance in the case of linearly or diagonally traversed disks,
Fig. 5: Schematic representation of the first embodiment of the heat exchanger according to the invention, wherein the individual disks are inclined at an angle α to each other,
Fig. 6: perspective view of a section of the first embodiment of the heat exchanger according to the invention, wherein the discs have a corrugation,
Fig. 7: an embodiment of a Scheibenwellung, and
Fig. 8: a first embodiment of a geometry of the stacking disks with improved fluid management.

Preferred embodiment of the invention

Die Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmetauschers 100, beispielsweise einen Chiller. Dabei sind drei Scheiben 1 bis 3 perspektivisch dargestellt, die auf einem Boden 15 zu einem Stapelscheibenblock 20 übereinander gestapelt sind. Die Scheibe 1 weist ebenso wie die Scheiben 2 bzw. 3 eine rechteckige Grundplatte 16 mit zwei halbkreisförmigen Enden 17, 18 auf. Nach außen hin ist die Scheibe 1 durch einen umlaufenden, hochgebogenen Rand 19 abgeschlossen. In den halbkreisförmigen Enden 17, 18 der Scheibe 1 ist jeweils eine erste Durchgangsöffnung 10, 11 ausgespart. Die ersten Durchgangsöffnungen 10, 11 stellen jeweils einen Anschluss für den ersten Stoffstrom, beispielsweise ein zu kühlendes Medium in Form von Ladeluft eines nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges dar, durch die der erste Stoffstrom in einen Hohlraum ein- bzw. austritt, der von den Scheiben 1 und 2 begrenzt wird und zwischen den Enden 17, 18 verläuft. Unterhalb der ersten Durchgangsöffnungen 10, 11 ist je eine zweite Durchgangsöffnung angeordnet, welche die Anschlüsse 12, 13 für den zweiten Stoffstrom, beispielsweise ein kühlendes Mittel, wie Wasser oder ein Wassergemisch bilden. Der erste und der zweite Stoffstrom strömen dabei durch jeweils einen, von zwei übereinander liegenden Scheiben 1, 2, 3 gebildeten, als Strömungskanal dienenden Hohlraum im Gegenstrom, wie es im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert wurde. Der den ersten Stoffstrom führende Hohlraum und der den zweiten Stoffstrom führende Hohlraum sind dabei alternierend angeordnet.The FIG. 3 shows a first embodiment of a stacked-plate heat exchanger 100 according to the invention, for example, a chiller. In this case, three discs 1 to 3 are shown in perspective, which are stacked on a bottom 15 to a stacking disc block 20 one above the other. The disk 1, like the disks 2 and 3, has a rectangular base plate 16 with two semicircular ends 17, 18. Outwardly, the disc 1 is closed by a circumferential, bent-up edge 19. In the semicircular ends 17, 18 of the disc 1 each have a first passage opening 10, 11 recessed. The first passage openings 10, 11 each represent a connection for the first material flow, for example, a medium to be cooled in the form of charge air of an internal combustion engine of a motor vehicle, not shown, through which the first material flow enters or exits into a cavity bounded by the discs 1 and 2 is and between the ends 17, 18 extends. Below the first through-openings 10, 11, a second through-opening is respectively arranged, which form the connections 12, 13 for the second material flow, for example a cooling agent, such as water or a water mixture. In this case, the first and the second material stream flow in countercurrent through a respective cavity formed by two disks 1, 2, 3 lying one above the other, serving as a flow channel, as described in connection with FIG FIG. 1 was explained. The first material flow leading cavity and the second material flow leading cavity are arranged alternately.

Auf der Scheibe 1, 2, 3 mit dem zumindest einen Strömungswiderstand R durchströmt der jeweilige Stoffstrom auf der Wärmeübertragungsfläche zwischen den Durchgangsöffnungen 10. 11, welche als Zufluss und Abfluss dieser Scheibe 1, 2, 3 ausgebildet sind, ein Strömungsfeld. Der Strömungswiderstand R kann dabei an jeder Stelle des Strömungsfeldes einen anderen Wert annehmen.On the disc 1, 2, 3 with the at least one flow resistance R flows through the respective material flow on the heat transfer surface between the passage openings 10. 11, which are formed as inflow and outflow of this disc 1, 2, 3, a flow field. The flow resistance R can assume a different value at each point of the flow field.

In den Figuren 4a und 4b sind beispielhaft Aufteilungen eines Strömungsfeldes in unterschiedliche Flächensegmente dargestellt. In Figur 4a sind durch die unterschiedlichen Strömungswiderstände R gekennzeichnete Flächensegmente bei einer linear durchströmten Scheibe 1 verdeutlicht. Alle Strömungswiderstände sind unterschiedlich, d.h. R₁ ≠ R₂ ≠ R₃ ≠ R₄ ≠ R₅, wobei beispielsweise R₁ < R₂ > R₃ > R₄ > R₅ sein kann. Strömungswiderstände R bei einer diagonal durchströmten Scheibe 1 sind in Figur 4b dargestellt, wobei die Hauptströmungsrichtung den größten Widerstand R₂ aufweist, während der oberhalb von R₂ liegende Widerstand R₁ genauso wie der unterhalb von R₂ liegende Strömungswiderstand R₃ kleiner sind als der Strömungswiderstand R₂. Auf Grund der vorgeschlagenen Lösung wird der Stoffstrom nicht auf dem kürzesten Wege (Pfeil P3), sondern auf dem gepunkteten Wege (Pfeil P4) zwischen den beiden Durchgangöffnungen 10, 11 geführt, wodurch eine besserer Wärmeaustausch zwischen den beiden Stoffströmen hervorgerufen wird.In the FIGS. 4a and 4b For example, divisions of a flow field into different surface segments are shown. In FIG. 4a Are characterized by the different flow resistance R marked surface segments in a linearly flowed disk 1. All flow resistances are different, ie R ₁ ≠ R ₂ ≠ R ₃ ≠ R ₄ ≠ R ₅ , where, for example, R ₁ <R ₂ > R ₃ > R ₄ > R ₅ . Flow resistances R in a diagonal flowed through disc 1 are in FIG. 4b shown, wherein the main flow direction has the largest resistance R ₂ , while the above R ₂ resistor R ₁ as well as that of R ₂ below lying flow resistance R _{3 are} smaller than the flow resistance R ₂ . Due to the proposed solution, the material flow is not performed by the shortest route (arrow P3), but on the dotted path (arrow P4) between the two passage openings 10, 11, whereby a better heat exchange between the two streams is caused.

Die gezeigte Aufteilung des Strömungsfeldes in Flächensegmente ist eine starke Vereinfachung der tatsächlichen Verhältnisse entlang der überströmten Fläche einer Scheibe 1. In einer tatsächlichen Anwendung ist vielmehr von einer fließenden Veränderung des Strömungswiderstandes entlang der Fläche der Scheibe 1 auszugehen. Eine Aufteilung in einzelne Flächensegmente dient der besseren Beschreibbarkeit und Darstellbarkeit.The shown division of the flow field into surface segments is a great simplification of the actual conditions along the overflowed surface of a disk 1. In an actual application, however, a fluid change in the flow resistance along the surface of the disk 1 is assumed. A division into individual surface segments serves for better describability and representability.

Wie aus Figur 5 ersichtlich, in welcher eine Prinzipdarstellung des Stapelscheiben-Wärmetauschers 100 dargestellt ist, sind die Flächen der drei benachbart übereinander gelagerten Scheiben 1, 2, 3 zueinander geneigt gelagert. Die Scheiben 1 und 3 sind dabei waagerecht positioniert, während die dazwischen angeordnete Scheibe 2 eine Schrägstellung aufweist. Dabei weisen die Scheiben 1 und 2 bzw. 2 und 3 zueinander einen Neigungswinkel α auf, der in einem Bereich von 0° < α < 5°, dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,1° < α < 2°, liegt. Der Neigungswinkel α zwischen den Scheiben 1 und 2 ist dabei in die entgegengesetzte Richtung verlaufend ausgebildet als bei den Scheiben 2 und 3. Die Neigung ist um eine Mittelachse vorgesehen und kann sowohl in Richtung der Hauptströmung oder in Richtung von Nebenströmungen oder anderen Ausrichtungen von benachbarten Scheiben 1, 2, 3 eingestellt werden. Über eine gegenläufige Neigung der Scheiben 1 und 2 zueinander bzw. der Scheiben 2 und 3 zueinander kann erreicht werden, dass die Stoffströme, welche durch die jeweiligen Hohlräume zwischen den Scheiben strömen, besonders vorteilhaft zueinander geführt werden.How out FIG. 5 can be seen, in which a schematic diagram of the stacked-plate heat exchanger 100 is shown, the surfaces of the three adjacent superimposed discs 1, 2, 3 are mounted inclined to each other. The discs 1 and 3 are positioned horizontally, while the interposed disc 2 has an inclined position. In this case, the discs 1 and 2 or 2 and 3 to each other an inclination angle α, which is in a range of 0 ° <α <5 °, preferably in a range of 0.1 ° <α <2 °. The inclination angle α between the disks 1 and 2 is designed to run in the opposite direction than in the disks 2 and 3. The inclination is provided about a central axis and can both in the direction of the main flow or in the direction of secondary flows or other orientations of adjacent disks 1, 2, 3 are set. By means of an opposite inclination of the disks 1 and 2 relative to one another or of the disks 2 and 3 relative to one another, it can be achieved that the material streams which flow through the respective cavities between the disks are guided particularly advantageously to one another.

Wenn die Scheiben 1, 2, 3 analog der Figur 4a gestaltet sind und die Zu- bzw. Abflüsse in den Hohlraum, welcher zwischen den Scheiben 2 und 3 ausgebildet ist, an der rechten Seite des Stapelscheiben-Wärmetauschers 100 angeordnet sind und gleichzeitig die Zu- bzw. Abflüsse in den Hohlraum, welcher zwischen den Scheiben 1 und 2 gebildet ist, auf der linken Seite des Stapelscheiben-Wärmetauschers 100 angeordnet sind, kann eine Gleichverteilung des jeweiligen Stoffstromes in dem jeweiligen Hohlraum erreicht werden. Diese Gleichverteilung führt insbesondere zu einem vorteilhaften Wärmeübergang zwischen den beiden Stoffströmen.If the discs 1, 2, 3 analogous to FIG. 4a are designed and the inflows and outflows are formed in the cavity, which is formed between the discs 2 and 3, on the right side of the stacked plate heat exchanger 100 and at the same time the inflows and outflows into the cavity, which between the discs 1 and 2 is formed, are arranged on the left side of the stacked plate heat exchanger 100, an equal distribution of the respective material flow in the respective cavity can be achieved. This uniform distribution leads in particular to an advantageous heat transfer between the two streams.

Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform des Stapelscheiben-Wärmetauschers 100, aus welcher ersichtlich ist, dass die Scheiben 2, 3 gewellt ausgebildet sind. Trotz dieser welligen Ausbildung der Scheiben 2, 3 sind diese Scheiben 2, 3, wie im Zusammenhang mit Figur 5 erläutert, zueinander geneigt, so dass die Scheiben 2, 3 auf der linken Seite einen Abstand a aufweisen, während auf der entgegengesetzten rechten Seite der Scheiben 2, 3 ein Abstand b realisiert ist, wobei der Abstand a größer als der Abstand b ist. Durch eine solche Gestaltung wird die Verteilung des ersten bzw. des zweiten Stoffstromes in dem jeweiligen Hohlraum, welcher von zwei benachbarten gegenüber liegenden Scheiben 2, 3 gebildet wird, verbessert, was zu einer besseren Überdeckung der Stoffströme und somit zu einem besseren Wärmeaustausch zwischen diesen führt. Durch diese Gestaltung wird auf der Seite der Ein- bzw. Ausströmung die Amplitude der Wellung 14 verkleinert, was durch den Abstand b hervorgerufen wird, der einen größeren Strömungswiderstand hervorruft. Auf der entgegengesetzten Seite ist der Abstand a größer als der Abstand b, wodurch die Amplitude vergrößert wird, was einen kleineren Strömungswiderstand nach sich zieht. Aufgrund der verbesserten Überdeckung der Stoffströme ist eine höhere Leistungsdichte des Stapelscheiben-Wärmetauschers 100 gegeben. FIG. 6 shows a perspective view of the embodiment of the stacked-plate heat exchanger 100, from which it can be seen that the discs 2, 3 are formed wavy. Despite this wavy formation of the discs 2, 3, these discs 2, 3, as related to FIG. 5 explained, inclined to each other, so that the discs 2, 3 on the left side have a distance a, while on the opposite right side of the discs 2, 3, a distance b is realized, wherein the distance a is greater than the distance b. By such a design, the distribution of the first or the second material flow in the respective cavity, which is formed by two adjacent opposite discs 2, 3, improved, resulting in a better coverage of the material flows and thus a better heat exchange between them , By this design, the amplitude of the corrugation 14 is reduced on the side of the inflow and outflow, which is caused by the distance b, which causes a greater flow resistance. On the opposite side, the distance a is greater than the distance b, whereby the amplitude is increased, which entails a smaller flow resistance. Due to the improved coverage of the material flows, a higher power density of the stacked plate heat exchanger 100 is given.

In einer alternativen Ausführungsform werden die Strömungswiderstände R im Hohlraum über unterschiedliche Amplituden des durch den Hohlraum strömenden ersten bzw. zweiten Stoffstromes beeinflusst. Hierzu sind nicht weiter dargestellte Amplitudenbeeinflussungselemente an der Scheibe 1, 2, 3 angeordnet. Durch kleine Amplituden werden die Strömungswiderstände lokal erhöht, während die Strömungswiderstände durch größere Amplituden lokal reduziert werden.In an alternative embodiment, the flow resistances R in the cavity are influenced by different amplitudes of the first or second material flow flowing through the cavity. For this purpose, not shown amplitude influencing elements on the disc 1, 2, 3 are arranged. Small amplitudes increase the flow resistance locally, while the flow resistances are locally reduced by larger amplitudes.

Durch Änderung der Wellenlänge λ (welche teilweise auch als Raffung bezeichnet wird), die durch die Wellung 14 der Scheiben 1, 2, 3 vorgegeben wird, kann der Strömungswiderstand R ebenfalls beeinflusst werde. Eine große Wellenlänge entspricht dabei einem geringen Strömungswiderstand R, während aus einer kleinen Wellenlänge λ ein größerer Widerstand R resultiert (Figur 7).By changing the wavelength λ (which is sometimes referred to as gathering), which is determined by the corrugation 14 of the discs 1, 2, 3, the flow resistance R can also be influenced. A large wavelength corresponds to a low flow resistance R, while from a small wavelength λ a larger resistance R results ( FIG. 7 ).

In Figur 8 ist ein Schnitt durch eine gewellte Scheibe 2 dargestellt. Die Ausprägung der Wellung 14 in Richtung des Pfeiles P3 nimmt auf dieser Scheibe 2 zu. Das heißt, dass die Radien der ausgeführten Wellung 14 kontinuierlich größer werden, woraus sich unterschiedliche Wellenlängen λ₁ ≠ λ₂ ≠ λ₃ ≠ λ₄ ≠ λ₅ für die Stoffströme ergeben. Durch solche unterschiedliche Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, λ₅ wird der Strömungswiderstand der Stoffströme im Hohlraum beeinflusst. Durch eine abwechselnde Änderung der Ausprägung der Wellung 14 schwankt der jeweilige Stoffstrom zwischen einer kurzer und einer längerer Wellenlänge λ, was zu einer kontinuierlichen Verteilung über der Scheibe 2 führt.In FIG. 8 a section through a corrugated disc 2 is shown. The expression of the corrugation 14 in the direction of arrow P3 increases on this disc 2. This means that the radii of the undulated corrugation 14 continuously increase, resulting in different wavelengths λ ₁ ≠ λ ₂ ≠ λ ₃ ≠ λ ₄ ≠ λ ₅ for the material flows. By such different wavelengths λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , λ ₄ , λ ₅ , the flow resistance of the streams is influenced in the cavity. By an alternating change in the expression of the corrugation 14, the respective material flow fluctuates between a short and a longer wavelength λ, which leads to a continuous distribution over the disc 2.

Es besteht aber auch die Möglichkeit die Wellenlänge λ in der Art und Weise variabel zu gestalten, dass die Wellung 14 zwischen den als Zufluss und Abfluss ausgebildeten Durchgangsöffnungen 10, 11 kleiner gewählt ist. Die Wellenlänge λ der Wellung vergrößert sich dann fächerartig ausgehend von den Durchgangsöffnungen 10, 11 in Richtung Randbereich des Scheibe 2, wodurch ebenfalls eine bessere Verteilung der Stoffströme und somit ein verbesserter Wärmeaustausch erzielt wird. Mehrere vorgegebene Wellungen 14 breiten sich dabei von dem ersten Randbereich, der zwischen den Durchgangsöffnungen 10, 11 der Scheibe 2 angeordnet ist, zu einem zweiten Randbereich, der auf der dem ersten Randbereich gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, aus. Dies ist insbesondere immer dann möglich, wenn die Durchgangsöffnungen 10, 11 des ersten Stoffstromes auf einer ersten Längsseite der Scheibe 2 und die Durchgangsöffnungen 12, 13 des zweiten Stoffstromes auf der, der ersten Längsseite gegenüberliegenden Längsseite angeordnet sind.However, it is also possible to make the wavelength λ variable in such a way that the corrugation 14 between the through-openings 10, 11 formed as an inflow and outflow is selected to be smaller. The wavelength λ of the corrugation then increases fan-like starting from the passage openings 10, 11 in the direction of the edge region of the disk 2, whereby also a better distribution of the material flows and thus an improved heat exchange is achieved. Several predetermined corrugations 14 thereby extend from the first edge region, which is arranged between the passage openings 10, 11 of the disk 2, to a second edge region, which is arranged on the side opposite the first edge region. This is in particular always possible if the passage openings 10, 11 of the first material flow are arranged on a first longitudinal side of the disk 2 and the passage openings 12, 13 of the second material flow on the longitudinal side opposite the first longitudinal side.

Aufgrund der lokalen Beeinflussung der Strömungswiderstände R verbessert sich der Wärmeübergang in einem solchen Stapeischeiben-Wärmetauscher 100, was bei gleicher Leistung zu einem Verzicht von Scheiben 1, 2, 3 führt. Daraus resultiert eine Reduzierung der Teilekosten genauso wie eine Gewichtsreduzierung. Gleichzeitig wird das Bauraumvolumen des Stapelscheiben-Wärmetauschers 100 verringert. Durch die verbesserte Homogenität der Fluidströmung ist eine besserte Leistungsskalierung durch Auswahl der entsprechenden Anzahl an Scheiben 1, 2, 3 möglich.Due to the local influence of the flow resistance R, the heat transfer in such a Stapeischeiben heat exchanger 100 improves, which leads to a waiver of discs 1, 2, 3 at the same power. This results in a reduction of parts costs as well as a weight reduction. At the same time, the installation space volume of the stacked plate heat exchanger 100 is reduced. Due to the improved homogeneity of the fluid flow, improved power scaling is possible by selecting the appropriate number of disks 1, 2, 3.

Die Amplituden, die Wellenlänge, die Abstände der Scheiben zueinander oder die Neigung der Scheiben zueinander können in alternativen Ausführungen auch von den hier gezeigten abweichen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mehrere Bereiche vorgesehen sind, in denen die oben genannten Parameter jeweils zunehmen oder abnehmen. Es sind daher beispielsweise auch Ausführungen vorsehbar, die zuerst eine zunehmende Wellenlänge aufweisen und darauffolgend eine abnehmende Wellenlänge. Insbesondere sind die beschriebenen Parameter auch beliebig kombinierbar.The amplitudes, the wavelength, the distances between the disks to each other or the inclination of the disks to each other may differ in alternative embodiments from those shown here. In particular, provision can be made for a plurality of regions to be provided, in which the above-mentioned parameters increase or decrease respectively. Therefore, for example, it is also possible to provide designs which initially have an increasing wavelength and subsequently a decreasing wavelength. In particular, the parameters described can also be combined as desired.

Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele haben beispielhaften Charakter und sind untereinander kombinierbar.The embodiments shown here have exemplary character and can be combined with each other.

Claims

A stacked-plate heat exchanger, comprising a plurality of elongated disks (1, 2, 3) stacked on top of one another and having a cavity for the passage of a medium to be cooled in the longitudinal direction of the disks (1, 2, 3) and a further cavity for passing a coolant limit, wherein inflows and outflows (10, 11, 12, 13) are provided for the medium to be cooled and the coolant, characterized in that at least every second disc (1, 2, 3) has a flow resistance of the medium to be cooled and / or the coolant is positioned and / or shaped to alter.

Stacked plate heat exchanger according to claim 1, characterized in that two adjacent superimposed discs (1, 2, 3) are aligned unparallel to each other.

Stacked plate heat exchanger according to claim 2, characterized in that the discs (1, 2, 3) are inclined to each other about an axis, wherein preferably a first distance at a first end of the superposed discs (1, 2, 3) is greater than a second distance at a second end of the superimposed discs (1, 2, 3).

Stacked plate heat exchanger according to claim 2 or 3, characterized in that the two adjacent superimposed discs (1, 2, 3) at an angle (α) between 0 ° to 5 °, preferably between 0.1 ° and 2 ° to each other are inclined.

Stacked plate heat exchanger according to claim 2, 3 or 4, characterized in that a first disc (1, 3) is positioned horizontally, while the adjacent second disc (2) is inclined to the first disc (1, 3).

Stacked plate heat exchanger according to claim 3, 4 or 5, characterized in that the two adjacent superimposed discs (1, 2, 3) are inclined in the direction of a main flow and / or in the direction of a secondary flow.

Stacked plate heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the discs (1, 2, 3) have a corrugation (14), wherein the expression of the corrugation (14) preferably varies.

Stacked plate heat exchanger according to claim 7, characterized in that the expression of the corrugation increases in a predetermined direction of the discs.

Stacked plate heat exchanger according to claim 7, characterized in that the expression of the corrugation (14) over a surface of the disc (1, 2, 3) is formed alternately.

Stacked plate heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one disc (1, 2, 3) has at least one amplitude influencing element for changing the amplitude of the medium flowing through the cavities to be cooled or the coolant.