Stapelscheiben-Wärmeübertrager
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager, insbesondere einen Ladeluftkühler, mit einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf und einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf.
In modernen Kraftfahrzeugen ist ein stetig ansteigender Kühlungsbedarf zu beobachten, beispielsweise im Bereich der Ladeluftkühlung, wodurch die Anforderungen an die Kühlungs- und Klimatisierungssysteme stetig zunehmen. Eine verbesserte Ausnutzung von Wärmequellen und Wärmesenken kann dabei zu einem höheren Nutzungsgrad und darüber hinaus zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führen. Derzeit am Markt befindliche Kühlsysteme zur Ladeluftkühlung weisen dabei oftmals einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager auf, der einstufig ausgebildet ist. Der mit der einstufigen Temperierung erreichbare Wirkungsgrad ist jedoch limitiert. Um die Leistungsfähigkeit von Kühlkreisläufen, insbesondere zur Kühlung von Fluiden, wie beispielsweise Kühlmittel, Kältemittel, Öl, Abgas- oder Ladeluft, zu verbessern, ist es daher in einigen Fällen sinnvoll, ein Fluid über zwei Stufen abzukühlen bzw. aufzuwärmen. Nachteilig der zweistufigen Temperierung von Fluiden ist dabei jedoch, dass der Einsatz von zwei konventionell hintereinander geschalteten Wärmetauschern mit deutlich höheren Kosten sowie einem erhöhten Bauraumbedarf verbunden ist.
Aus der DE 10 2005 044 291 A1 ist ein Stapelscheiben-Wärmeübertrager, insbesondere ein Ladeluftkühler, mit mehreren aufeinander gestapelten und miteinander verbundenen, beispielsweise verlöteten, länglichen Scheiben bekannt, die einen Hohlraum zum Durchführen eines zu kühlenden Mediums, wie z.B. Ladeluft, in Längsrichtung der Scheiben und einen weiteren Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels begrenzen, wobei die Scheiben jeweils einen Eingangsan- schluss und einen Ausgangsanschluss für das zu kühlende Medium besitzen. Um
einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager schaffen zu können, der einerseits kostengünstig herstellbar ist und andererseits auch bei hohen Temperaturen eine lange Lebensdauer aufweist, erstreckt sich mindestens ein Kühlmittelanschluss teilweise um einen Anschluss für das zu kühlende Medium herum.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Stapelscheiben- Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, der eine zweistufige Temperierung eines zu kühlenden Mediums bei gleichzeitig kompakter Bauweise ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einzelnen Wärmetauscherplatten eines Stapelscheiben-Wärmeübertragers eine geprägte Trennwand vorzusehen, welche gleichzeitig mit der Wärmetauscherplatte geformt bzw. umgeformt wird und welche dazu dient, einen Hochtemperatur- Kühlmittelkreislauf und einen Niedertemperatur-Kühlmittel kreislauf voneinander zu trennen, gleichzeitig aber erlaubt diese beiden Kreisläufe in einem gemeinsamen Stapelscheiben-Wärmeübertrager zu führen. Der erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager, welcher beispielsweise als Ladeluftkühler ausgebildet sein kann, besitzt dabei besagten Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf und den zuvor erwähnten Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf, wobei die aufeinan- dergestapelten Wärmetauscherplatten von zwei Kühlmitteln mit unterschiedlichen Temperaturniveaus im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf und im Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf einerseits und von dem zu kühlenden Medium, beispielsweise Ladeluft, andererseits durchströmt sind. Mit dem erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager ist es erstmals möglich, eine zweistufige Tem-
perierung in einem einsamen Stapelscheiben-Wärmeübertrager zusammenzufassen und damit eine äußerst kompakt bauende Lösung zu erreichen.
Zweckmäßig ist der Stapelscheiben-Wärmeübertrager als Gegenstromkühler ausgebildet. Bei einem Gegenstromkühler strömen das Kühlmittel und das zu kühlende Medium entgegengesetzt zueinander, wodurch eine besonders effektive Kühlung erreicht werden kann. Bei einer Kühlung im Gegenstromprinzip ist die Kühlwirkung generell größer als im Falle gleicher Fließrichtungen.
Zweckmäßig weisen die Wärmetauscherplatten einen umlaufenden aufgestellten Rand auf, über welchen sie mit einer benachbarten, insbesondere einer darüber oder darunter angeordneten, Wärmetauscherplatte verlötet sind, wobei die Trennwand jeweils längsendseitig mit dem Rand verbunden ist. Die Trennwand durchläuft somit die jeweilige Wärmetauscherplatte in Querrichtung und ist einenends am einen Rand und anderenends am gegenüberliegenden Rand angebunden. Eine derartige Wärmetauscherplatte besitzt üblicherweise die Form eines Rechtecks, dessen Schmalseiten jedoch halbkreisförmig ausgerundet sind. Die Trennwand verläuft vorzugsweise mittig, kann jedoch entsprechend der geforderten Kühlleistung des Niedertemperatur-Kühlmittelkreislaufes oder des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs in Längsrichtung derjenigen Wärmetauscherplatte nahezu beliebig verschoben werden. Hierdurch ist die Kühlleistung der beiden Kreisläufe einstellbar. Die Anordnung der Trennwand ist dabei vergleichsweise einfach durch die entsprechende Positionierung eines Trennsteges im Stanzwerkzeug einstellbar.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist im Bereich der Anbindung der Trennwand an den Rand ein Kühlmitteleinlass und/oder ein Kühlmittelauslass vorgesehen. Üblicherweise besitzen die beiden halbkreisförmig abgerundeten Längsendbereiche jeder Wärmetauscherplatte eine ebenfalls halbkreisförmige Öffnung für das zu kühlende Medium, wobei die
eine Öffnung als Einlassöffnung und die andere Öffnung als Auslassöffnung ausgestaltet ist. Ringsegmentartig um die jeweilige Ein- oder Auslassöffnung sind dabei Kühlmittelkanäle angeordnet. Ein Durchströmen des Stapelscheiben- Wärmeübertragers erfolgt dabei von dem zu kühlenden Medium dadurch, dass es zunächst durch die Einlassöffnung (Mediumeinlass) eintritt und dann die einzelnen Wärmetauscherplatten in Längsrichtung durchströmt, um am gegenüberliegenden Ende wieder um 90 Grad umgelenkt und über die Auslassöffnung (Me- diumauslass) abgeführt werden zu können. Das zum Wärmetausch erforderliche Kühlmittel hingegen strömt beispielsweise im Niedertemperatur-Kreislauf über die ringsegmentartig angeordneten Kühlmitteleinlässe ein und über zwei im Bereich der Trennwand angeordneten Kühlmittelauslässe wieder aus. Im Hochtemperatur-Kreislauf strömt das Kühlmittel über zwei im Bereich der Trennwand angeordneten Kühlmitteleinlässe ein, durch die Wärmetauscherplatte hindurch und über die ringsegmentartig angeordneten Kühlmittelauslässe wieder aus. Die Fließrichtung des Kühlmittels ist dabei in beiden Kreisläufen entgegengesetzt zu der des zu kühlenden Mediums, beispielsweise der Ladeluft, um das Gegenstromprinzip verwirklichen zu können.
Die Kühlmitteleinlässe und/oder Kühlmittelauslässe können dabei einen dreieckigen Querschnitt aufweisen und ihren Schenkeln parallel zur Trennwand und zum Rand ausgerichtet sein. Selbstverständlich ist einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Querschnitt des Kühlmitteleinlasses bzw. des Kühlmittelauslasses ein rechtwinkliges Dreieck ausgebildet, wodurch die beiden Katheten des jeweiligen Kühlmitteleinlasses bzw. Kühlmittelauslasses parallel zur Trennwand bzw. zum Rand verlaufen. Ein derartiger Querschnitt des Kühlmitteleinlasses bzw. des Kühlmittelauslasses ist dabei mit einem entsprechenden Stanzwerkzeug vergleichsweise einfach herzustellen, wobei selbstverständlich die Eckbereiche der Querschnitte ausgerundet sind, um insbesondere eine Kerbwirkung reduzieren zu können. Je nachdem, wie lang sich der jeweilige Schenkel des dreieckförmigen Kühlmitteleinlasses bzw. Kühlmittelauslasses entlang der
Trennwand erstreckt, kann Einfluss auf den für die Ladeluft bzw. das zu kühlende Medium durchgängigen Querschnitt genommen werden. Je geringer die sich entlang der Trennwand erstreckende Schenkellänge des Kühlmitteleinlasses bzw. des Kühlmittelauslasses ist, umso größer ist der für das zu kühlende Medium (Ladeluft) durchgängige Strömungsquerschnitt, wodurch geringere Druckverluste auf der Ladeluftseite zu erreichen sind. Selbstverständlich kann dabei die Schenkellänge des Kühlmitteleinlasses bzw. des Kühlmittelauslasses entlang der Trennwand auf der Hochtemperaturseite größer sein als auf der Niedertemperaturseite, wodurch auf der Niedertemperaturseite eine optimierte Ladeluftverteilung erreicht und eine erhöhte Kühlleistung erreicht werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager,
Fig. 2 eine Ansicht auf eine Wärmetauscherplatte des Stapelscheiben- Wärmeübertrager,
Fig. 3 Detailansichten eines Kühlmitteleinlasses bzw. Kühlmittelauslasses zweier benachbarter Wärmetauscherplatten
Fig. 4 eine Darstellung wie in Figur 2, jedoch in einer Ebene eines zu kühlenden Mediums
Fig. 5a-d unterschiedlich ausgeprägte Querschnitte eines im Bereich einer
Trennwand angeordneten Kühlmitteleinlasses bzw. Kühlmittelauslasses,
Fig. 6a-c unterschiedliche Verschaltungen des Ladeluftstroms in dem erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager,
Fig. 6 d-e unterschiedliche Verschaltungen der Kühlmittelströme in dem erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager.
Entsprechend der Figur 1 , weist ein erfindungsgemäßer Stapelscheiben- Wärmeübertrager 1 , der beispielsweise als Ladeluftkühler ausgebildet ist, einen Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf HT sowie einen Niedertemperatur- Kühlmittelkreislauf NT mit aufeinandergestapelten Wärmetauscherplatten 2 auf, die von zwei Kühlmitteln 3,4 mit unterschiedlichen Temperaturniveaus durchströmt sind. Das Kühlmittel 3 strömt dabei mit im Vergleich zum Kühlmittel 4 höherem Temperaturniveau im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf HT, wogegen das Kühlmittel 4 mit deutlich geringerem Temperaturniveau im Niedertemperatur- Kühlmittelkreislauf NT strömt. In entgegengesetzter Richtung wird der erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 von dem zu kühlenden Me-
dium 5, beispielsweise Ladeluft, durchströmt, sodass der Stapelscheiben- Wärmeübertrager 1 im Gegenstromprinzip arbeitet.
Um nun den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf HT vom Niedertemperatur- Kühlmittelkreislauf NT wirkungsvoll trennen und zugleich beide Kreisläufe HT und NT im selben Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 unterbringen zu können, weisen die Wärmetauscherplatten 2 eine geprägte Trennwand 6 (vergleiche die Figuren 2 bis 6) auf, die den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf HT vom Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf NT trennt.
Darüber hinaus besitzen sämtliche Wärmetauscherplatten 2 einen umlaufend aufgestellten Rand 7, über welchen sie mit einer benachbarten, beispielsweisen einer darunter oder darüber angeordneten Wärmetauscherplatte 2 verlötet sind, wobei die Trennwand 6 jeweils längsendseitig mit dem Rand 7 verbunden ist. Die Trennwand 6 kann dabei orthogonal auf dem jeweiligen Rand 7 treffen, wie dies beispielsweise gemäß den Ausführungsformen Figuren 2 bis 5b sowie 5d und 6 gezeigt ist. Alternativ hierzu ist auch vorstellbar, dass die Trennwand 6 in einem spitzen Winkel auf den Rand 7 trifft, wie dies beispielsweise gemäß der Figur 5c dargestellt ist.
Im Bereich der Anbindung der Trennwand 6 an den Rand 7 sind/ist dabei ein Kühlmitteleinlass 8 und/oder ein Kühlmittelauslass 9 angeordnet. Die Kühlmitte- leinlässe 8 bzw. die Kühlmittelauslässe 9 besitzen dabei gemäß den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 5c einen dreieckigen, d.h. dreiecksförmigen Querschnitt und sind mit ihren Schenkeln Y (vergleiche die Figuren 5a bis 5c) parallel zur Trennwand 6 und mit ihren Schenkeln X am Rand 7 ausgerichtet. Der parallel zur Trennwand 6 ausgerichtete Schenkel Y des dreiecksförmigen Kühlmitteleinlasses 8 oder des Kühlmittelauslasses 9 kann dabei länger oder kürzer als der parallel zum Rand 7 ausgerichtete Schenkel X ausgebildet sein, wobei selbstverständlich auch vorstellbar ist, dass beide Schenkel X,Y des dreiecksförmigen
Kühlmitteleinlasses 8 oder des dreiecksförmigen Kühlmittelauslasses 9 gleich lang sind. Dem gegenüber weist der Rand 7 gemäß der Figur 5d im Bereich der Trennwand 6 eine Wölbung nach Außen auf, wodurch der Kühlmitteleinlass 8 und der Kühlmittelauslass 9 einen zumindest annähernd kreissegmentartigen Querschnitt aufweisen und nach außen versetzt sind.
Im Folgenden soll nun die Durchströmung des erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragers 1 genauer erläutert werden.
Gemäß der Figur 1 strömt dabei das zu kühlende Medium 5, beispielsweise die Ladeluft, von einem Mediumeinlass 10 durch die Wärmetauscherplatten 2 zu einem Mediumauslass 1 1 im Wesentlichen U-förmig durch den Stapelscheiben- Wärmeübertrager 1 . In entgegengesetzter Richtung strömt der Niedertemperatur- Kühlmittelkreislauf NT sowie der Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf HT. Das Kühlmittel 4 strömt dabei zunächst über einen Kühlmitteleinlass 8' über ca. die Hälfte der Wärmetauscherplatten 2 zum im Bereich der Trennwand 6 gelegenen Kühlmittelauslass 9, wobei an der Trennwand 6 zwei Kühlmittelauslässe 9 angeordnet sind (vergleiche Figur 2), während der Kühlmitteleinlass 8' ringseg- mentförmig um den Mediumauslass 1 1 angeordnet ist. Über den Kühlmitteleinlass 8 strömt das Kühlmittel 3 nach der Trennwand 6 durch den Hochtemperatur- Kühlmittelkreislauf HT durch ebenfalls ca. die Hälfte der Wärmetauscherplatte 2 bis zum Kühlmittelauslass 9', der ringsegmentartig um den Mediumeinlass 10 verläuft.
Die Trennwand 6 ist dabei bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 bis 6 im Wesentlichen mittig, jedoch leicht in Richtung des Hochtemperatur- Kühlmittelkreislaufes HT verschoben, wodurch der Hochtemperatur- Kühlmittelkreislauf HT einen kürzeren wärmeübertragenden Kontakt zwischen dem zu kühlenden Medium 5 und dem Kühlmittel 3 aufweist. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung können selbstverständlich Turbulenzeinlagen 12 vorge-
sehen werden. Ein Verschieben der Trennwand 6 kann durch ein einfaches Variieren bzw. Verschieben eines entsprechenden Trennsteges im zugehörigen Stanzwerkzeug zur Herstellung der Wärmetauscherplatten 2 erreicht werden. Zur Verbesserung des Wärmeübertrags können selbstverständlich auch Winglets oder eine Wellrippenstruktur eingesetzt werden.
Betrachtet man die Figur 5a, so kann man erkennen, dass der parallel zum Rand 7 verlaufende Schenkel X länger ausgebildet ist, als der parallel zur Trennwand 6 verlaufenden Schenkel Y des Kühlmittelauslasses 9, wodurch eine Breite Z des für die Ladeluft zur Verfügung stehenden Durchlassquerschnitts vergrößert und damit der Druckverlust auf der Ladeluftseite verringert werden kann.
Dem gegenüber ist der Kühlmittelauslass 9 gemäß der Figur 5b mit einer deutlich reduzierten Schenkellänge des Schenkels Y parallel zur Trennwand 6 versehen, während der Kühlmitteleinlass 8 auf der Hochtemperaturseite , d.h. im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf HT einen hierzu im Vergleich längeren Schenkel Y aufweist. Hierdurch wird für das zu kühlende Medium 5, d.h. die Ladeluft, auf der Niedertemperaturseite NT eine größere Breite Z des zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnittes bereit gestellt, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit auf der Niedertemperaturseite NT im Vergleich zur Hochtemperaturseite HT verringert und die niedertemperaturseitige Kühlleistung erhöht werden kann.
Die Figur 5c zeigt eine Trennwand 6, welche in einem spitzen Winkel auf den Rand 7 auftritt, wobei die Trennwand 6 abgewinkelt ausgebildet ist. Der Kühlmittelauslass 9 ist dabei in Richtung der Niedertemperaturseite NT verschoben, wobei aufgrund der abgewinkelten Trennwand 6 bei gleichem Querschnitt ein größerer für das zu kühlende Medium 5, d.h. die Ladeluft, zur Verfügung stehender Strömungsquerschnitt bereit gestellt werden kann (größere Breite Z), wodurch auch ein geringerer Druckverlust auf der Ladeluftseite erreicht werden kann.
Bei der Wärmetauscherplatte 2 gemäß der Figur 5d sind der Kühlmitteleinlass 8 und der Kühlmittelauslass 9 nach außen verlagert, wodurch die komplette Breite der Wärmetauscherplatte 2 (Breite = Z) für das zu kühlende Medium 5, d.h. für die Ladeluft, zur Verfügung steht. In diesem Fall ist der Rand 7 der Wärmetauscherplatte 2 im Bereich der Trennwand 6 nach außen gewölbt und der Kühlmitteleinlass 8 und der Kühlmittelauslass 9 weisen einen zumindest annähernd kreissegmentartigen Querschnitt auf. Hierdurch kann ein kleinstmöglicher Druckverlust auf der Ladeluftseite erreicht werden.
Entsprechend den Figuren 6a bis 6c sind mögliche Verschaltungen auf der Ladeluftseite, d.h. im Strömungspfad des zu kühlenden Mediums 5 dargestellt, wobei die dargestellten Varianten selbstverständlich auch gespiegelt möglich sind. Gemäß der Figur 6a ist dabei der Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 derart ausgebildet, dass er vom zu kühlenden Medium 5, beispielsweise der Ladeluft, U- förmig durchströmt ist. Gemäß der Figur 6b geschieht dies Z-förmig, wogegen es gemäß der Figur 6c doppelt U-förmig erfolgt.
In den Figuren 6d bis f sind mögliche Verschaltungen auf der Kühlmittelseite, d.h. für die beiden Kühlmittelströme 3,4 dargestellt, wobei selbstverständlich auch in diesem Fall gespiegelte Varianten denkbar sind. Gemäß der Figur 6d erfolgt dabei eine Durchströmung des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs HT mittels des Kühlmittels 3 U-förmig, ebenso wie das Kühlmittel 4 die Niedertemperaturseite NT U-förmig durchströmt. In analoger Weise erfolgt dies Z-förmig gemäß der Figur 6e oder doppelt U-förmig gemäß der Figur 6f. Selbstverständlich sind die dargestellten Varianten der Ladeluftseite und Kühlmittelseite beliebig miteinander kombinierbar, wobei rein theoretisch auch eine Gleichstromvariante (nicht dargestellt), denkbar ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 lässt sich ein kompakt bauender zweistufiger Wärmeübertrager schaffen, wodurch einerseits
Bauraumvorteile und andererseits eine optimierte Kühlung erreicht werden können.
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