EP3199899A1

EP3199899A1 - Wärmeübertragerplatte

Info

Publication number: EP3199899A1
Application number: EP17152425.9A
Authority: EP
Inventors: Thomas Schiehlen
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2017-08-02
Also published as: DE102016201405A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragerplatte (1) für einen Wärmeübertrager (2), insbesondere einen Batteriekühler, mit einer umgeformten Kanalplatte (3) und einer damit dicht verbundenen Deckplatte (4), die zusammen eine innenliegende Kanalstruktur (5) begrenzen. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zumindest die Kanalplatte (3) aus Papier ausgebildet und mit der Deckplatte (4) verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt, ist. Hierdurch lässt sich eine kostengünstige und leichte Wärmeübertragerplatte (1) herstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragerplatte für einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager mit zumindest einer solchen Wärmeübertragerplatte sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmeübertragerplatte.
Aus der DE 10 2008 059 955 B4 ist eine gattungsgemäße Wärmeübertragerplatte mit einer umgeformten Kanalplatte und einer dicht damit verbundenen Deckplatte bekannt, die zusammen eine innenliegende Kanalstruktur begrenzen. Die Kanalstruktur ist dabei in der Kanalplatte mittels einer spanlosen Umformtechnik ausgeformt und durch eine ebene Deckplatte verschlossen. Hierdurch soll die Herstellung einer derartigen Wärmeübertragerplatte vereinfacht werden können.
Aus der DE 20 2004 020 899 U1 ist ein Plattenwärmetauscher mit Deckschichten bekannt, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind und Strömungskanäle für ein den Plattenwärmetauscher durchströmendes Wärmeübertragermedium begrenzen. Zwischen den Deckschichten ist dabei eine dreidimensionale, in Richtung der Länge und Breite des Plattenwärmetauschers ausgedehnte und in der Höhe den Abstand zwischen den Deckschichten erstellende flächige Struktur vorgesehen, die mit den Deckschichten verbunden ist und deren Faltungen zusammen mit den Deckschichten die Strömungskanäle bilden. Die flächige Struktur weist dabei ein doppeltes, sowohl in einer ersten Richtung in Richtung der Breite des Plattenwärmetauschers als auch in einer zweiten Richtung in Richtung der Länge des Plattenwärmetauschers zick-zackförmiges Muster auf. Hierdurch soll ein verbesserter Wärmeübertrag erzielt werden können.
Durch steigenden Kostendruck und eine zunehmende Forderung nach einer Gewichtsreduzierung in Kraftfahrzeugen, werden zunehmend Alternativen im Kühlerbau gesucht. Konventionell gefertigte Kühler bzw. generell Wärmeübertrager werden dabei zumeist gelötet, wobei derartige Lötprozesse jedoch vergleichsweise aufwändig, zeitintensiv und damit teuer sind. Bei derzeitigen gelöteten Wärmeübertragern werden einzelne Wärmeübertragerplatten hinsichtlich der zu erfolgenden Lötung bedarfsgerecht konstruiert, was nicht nur eine entsprechende Stegauslegung umfasst, sondern auch den richtigen Auftrag einer Menge an Lot. Aus diesem Grund werden hierfür üblicherweise Iotplattierte Bleche eingesetzt, die jedoch im Vergleich zu herkömmlichen, unplattierten und gewalzten Blechen vergleichsweise teuer sind. Darüber hinaus werden für den Lötvorgang zudem entfettete Teile benötigt, was ebenfalls einen vergleichsweise aufwändigen Entfettungsprozess erfordert.
Bislang angestrebte Alternativen, zumindest Teile derartiger Wärmeübertrager aus Kunststoff auszubilden, scheiterten üblicherweise daran, dass Kunststoffkomponenten keine hinreichende Festigkeit in Bezug auf eine erforderliche Materialdicke besitzen, die notwendig ist, um eine geforderte Dichtigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und Permeation über einen gesamten Produktlebenszyklus erfüllen zu können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Wärmeübertragerplatte der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere kostengünstiger und leichter herzustellen ist.
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, eine Wärmeübertragerplatte für einen Wärmeübertrager, bspw. für einen Batteriekühler, sowohl kostengünstiger als auch leichter herstellbar auszubilden, indem zumindest eine Kanalplatte der Wärmeübertragerplatte, welche mit einer Deckplatte dicht verbunden wird und damit eine innenliegende Kanalstruktur begrenzt, aus Papier ausgebildet und mit der Deckplatte verbunden, insbesondere verklebt, wird. Alternativ kann auch ein Verschweißen erfolgen. Durch die Ausbildung aus Papier, bspw. aus so genanntem Hartpapier oder technischem Papier, ist es nicht nur möglich, eine Gewichtsreduzierung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte zu ermöglichen, sondern zudem auch ein Verkleben derselben mit der Deckplatte, wobei in diesem Fall ein hierfür verwendeter Klebstoff unterschiedliche Temperaturdehnungen der Deckplatte und der Kanalplatte, sofern diese aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sind, aufnehmen kann. Unter technischem Papier können beispielsweise in eine Matrix eingebettete Papierfasern verstanden werden. Die Matrix kann dabei Epoxidharz oder Phenolharz aufweisen. Durch das Verkleben der Kanalplatte mit der Deckplatte entfallen der bislang aufwändige und teure Lötprozess, ebenso wie die Verwendung von Iotplattierten Blechen, wodurch sich ebenfalls eine enorme Kostenreduzierung bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte erreichen lässt.
Als Klebstoff wird hierbei bspw. ein thermoplastisches Klebstoffsystem auf Folienbasis verwendet, das eine Kaschierung zumindest der Kanalplatte und/oder der Deckplatte sowie nach dem Zusammenbau eine Verklebung der beiden Plattenteile unter Druck ermöglicht. Der Klebstoff gewährleistet dabei nicht nur die Kompensation der im Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte auftretenden Wärmedehnung, sondern zudem auch die Dichtigkeit.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest die Kanalplatte aus technischem Papier mit einer Dichte von ca. 1,35 - 1,90 g je Kubikzentimeter ausgebildet. Technisches Papier kann je nach Anwendungsfall spezifiziert werden. Analog dem Fasergehalt in Kunststoffen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Deckplatte aus Papier, aus Kunststoff oder aus Metall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welche mannigfaltige Möglichkeiten bezüglich der Materialauswahl für die Deckplatte bestehen, da diese nicht wie bislang mit der Kanalplatte verlötet, sondern nur noch verbunden, insbesondere verklebt, werden muss. Alternativ ist auch eine Ausbildung aus einem keramischen Werkstoff denkbar. Für den Fall, dass die Platte wie bisher aus Aluminium ausgebildet ist, ist mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte eine erhebliche Gewichtseinsparung möglich, da die Kanalplatte stets aus Papier ausgebildet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Einbindematrix aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyethylenterephthalat, Polyetheretherketon oder ähnliches. Der Vorteil dabei liegt im Schmelzpunkt der Kunststoffe, so dass die Deckplatte, gleich aus welchem Material, damit dicht und fest verbunden werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Kanalplatte einen angeformten Einlassstutzen und/oder einen angeformten Auslassstutzen auf. Derartige Ein- bzw. Auslassstutzen lassen sich mit entsprechenden Umformwerkzeugen vergleichsweise einfach in die aus Papier ausgebildete Kanalplatte mit einformen, wobei selbstverständlich weitere konstruktive Merkmale, wie bspw. Kupplungen, mit angeformt werden können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die in die Kanalplatte eingeformte Kanalstruktur einen Einströmbereich, einen Kanalbereich, einen Umlenkbereich sowie einen Rückströmbereich auf. Je nach Ausbildung des Formwerkzeugs zur Herstellung der Kanalplatte lassen sich somit unterschiedlichste Strömungsbereiche der Kanalstruktur vergleichsweise einfach fertigen. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass die Deckplatte als ebene Platte ausgebildet ist oder aber ebenfalls entsprechende Strukturen aufweist, wobei in diesem Fall die durch die Deckplatte und die Kanalplatte zusammen gebildete, innenliegende Kanalstruktur durch Kanalgeometrien in der Deckplatte und Kanalgeometrien in der Kanalplatte gebildet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen der Kanalplatte und der Deckplatte eine Turbulenzeinlage, insbesondere eine Turbulenzeinlage aus Metall, angeordnet, die mit der Kanalplatte und/oder der Deckplatte verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt, ist. In diesem Fall kann bspw. die Kanalplatte wannenartig ausgeformt sein, so dass die Turbulenzeinlage in die Kanalplatte eingelegt und mit dieser verklebt oder verschweißt wird. Die Turbulenzeinlage dient dabei der Erzeugung von Strömungsturbulenzen und einem verbesserten Wärmeübertrag. Zudem dient eine derartige Turbulenzeinlage der Strukturfestigkeit, insbesondere sofern diese zusätzlich mit der Deckplatte verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt, ist, wodurch die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte höhere Innendrücke als auch generell höhere Kräfte ertragen kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist auf der Wärmeübertragerplatte ein elektrischer Kontakt, insbesondere eine Schaltung oder eine Erdung, aufgedruckt, das heißt insbesondere mittels Kaschieren oder mittels Siebdruckverfahrens aufgebracht. Hierdurch lassen sich insbesondere bislang in diesem Bereich erforderliche zusätzliche Montageschritte erübrigen.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmeübertragerplatte anzugeben, bei welchem zunächst die Kanalplatte aus Papier geformt und anschließend auf diese und/oder auf die Deckplatte ein Klebstoff, insbesondere durch Siebdruck, aufgebracht wird. Die Deckplatte selbst kann dabei aus Metall, aus Keramik oder ebenfalls aus Papier ausgebildet sein. Anschließend wird die Kanalplatte gegen die Deckplatte verspannt und in einen Ofen gebracht, in dem die Wärmeübertragerplatte bei einer Temperatur zwischen 80 °C und 300 °C für maximal zehn Minuten erhitzt und dadurch der Klebstoff aktiviert und ausgehärtet wird. Durch diese vergleichsweise kurze Prozesszeit im Vergleich zu bisherigen Lötprozessen, lässt sich die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte deutlich kostengünstiger fertigen.
Generell lassen sich mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die primären als auch die sekundären Herstellungskosten deutlich senken. Dies geschieht durch die Materialwahl, da bei der erfindungsgemäßen Kanalplatte der Werkstoff Papier den bisherigen Werkstoff Metall ersetzt. Die Herstellungskosten eines solchen Papierkanalteils, wie auch die Rohstoffkosten liegen dabei deutlich unter denen von Metallen und Kunststoffen. Zudem kann aufgrund der geringeren Dichte des Papiers eine deutlich leichtere Wärmeübertragerplatte hergestellt werden.
Zusätzlich sind die Ofentemperaturen und damit die Betriebs- und Anschaffungskosten deutlich geringer als bei einem vergleichbaren Lötofen. Im günstigsten Falle entfallen zudem sämtliche bislang zur Entfettung erforderlichen Anlagen. Wie auch bereits beim erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, sind die Ofendurchlaufzeiten mit wenigen Minuten im Vergleich zu einem Lötprozess deutlich geringer, wodurch die Fertigungskosten gesenkt werden können. Durch die Verklebung der Deckplatte mit der Kanalplatte können darüber hinaus unterschiedliche Werkstoffe für diese Platten verwendet werden.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lassen sich wie beim Kleben allgemein bekannt somit unterschiedlichste Materialien mit unterschiedlichsten Wärmeausdehnungskoeffizienten und unterschiedlichen Korrosionspotenzialen miteinander verbinden, bei gleichzeitig minimalem Klebstoffeinsatz. Bei einem sparsamen Auftrag des Klebstoffs, bspw. als Klebstofffolie, ist dieser auch um ein vielfaches kostengünstiger als bspw. Epoxi- oder Silikonmaterialien. Darüber hinaus vereinfacht eine derartige Klebstofffolie die Verarbeitung des Klebstoffs erheblich, da keine separaten Maschinen, wie bspw. Pumpen, Düsen, Ventile oder Ähnliches erforderlich sind, ebenso wenig wie ein spezielles Prozessknowhow. Der kaschierte Klebstoff benötigt zum Aushärten üblicherweise weniger als zehn Minuten und ermöglicht darüber hinaus einen hohen Automatisierungsgrad. Insbesondere ist mit derartigen kaschierten Klebstofffolien kein Raupenauftrag mit anschließender Aushärtezeit erforderlich. Die verwendeten Klebstoffe zeigen darüber hinaus eine hervorragende Medienbeständigkeit, die nahezu mit derjenigen von Lot zu vergleichen ist.
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 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1: eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte,
Fig. 2: eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte.

Entsprechend den Fig. 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1 für einen lediglich angedeuteten Wärmeübertrager 2, bspw. einen Batteriekühler, eine umgeformte Kanalplatte 3 sowie eine dicht damit verbundene Deckplatte 4 auf, die zusammen eine innenliegende Kanalstruktur 5 begrenzen. Erfindungsgemäß ist nun zumindest die Kanalplatte 3 aus Papier, bspw. aus Hartpapier bzw. aus technischem Papier mit einer Dichte von ca. 1,35g/cm³ ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung zumindest der Kanalplatte 3 aus Papier, kann die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1 im Vergleich zu bislang komplett metallisch ausgebildeten Wärmeübertragerplatten deutlich leichter, deutlich ressourcenschonender und auch deutlich kostengünstiger hergestellt werden.
Die Deckplatte 4 kann dabei ebenfalls aus Papier, aber auch aus Kunststoff, aus Metall, bspw. aus Aluminium, oder aus Keramik bzw. einem keramischen Verbundwerkstoff, ausgebildet sein.
Betrachtet man die Fig. 1 genauer, so kann man erkennen, dass zwischen der Deckplatte 4 und der Kanalplatte 3 ein Klebstoff 6, insbesondere in der Art einer auf die Deckplatte 4 kaschierten Klebstofffolie, angeordnet ist, über welchen die Kanalplatte 3 mit der Deckplatte 4 verklebt oder verschweißt und damit dicht verbunden ist.
An der Kanalplatte 3 können selbstverständlich weitere Elemente zusätzlich zu Kanalstruktur 5, wie bspw. ein Einlassstutzen 7 und/oder ein Auslassstutzen 8 mit angeformt werden. Ebenfalls kann die Kanalstruktur 5 einen Einströmbereich 9, einen Umlenkbereich 10, einen Kanalbereich 11 sowie einen Rückströmbereich 12 umfassen. Dabei können gemäß der Fig. 2 der Einlassstutzen 7 und 8 auch umgekehrt angeordnet sein, wodurch sich bspw. der Einströmbereich 9 und der Rückströmbereich 12 vertauschen würden.
Um einen Wärmeübertrag der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 verbessern zu können, kann zwischen der Kanalplatte 3 und der Deckplatte 4 eine Turbulenzeinlage 13 angeordnet sein, die bspw. aus Metall ausgebildet und mit der Kanalplatte 3 verklebt oder verschweißt ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Turbulenzeinlage 13, die zur Erzeugung von Strömungsturbulenzen und damit zu einem gesteigerten Wärmeübertrag führt, auch mit der Deckplatte 4 verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt, sein.
Ebenfalls vorgesehen sein kann ein elektrischer Kontakt 14, der gemäß der Fig. 2 mit der Deckplatte 4 verklebt bzw. auf diese aufgedruckt ist, wobei in ähnlicher Art und Weise ein derartiger elektrischer Kontakt 14 selbstverständlich auch an der Kanalplatte 3 aufgedruckt sein kann (vgl. Fig. 1). Ein derartiger elektrischer Kontakt 14 kann bspw. eine Schaltung oder lediglich eine Erdung der Wärmeübertragerplatte 1 beinhalten.
Hergestellt wird die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1, indem zunächst zumindest die Kanalplatte 3 aus Papier geformt und anschließend mit der Deckplatte 4, welche ebenfalls aus Papier, aber auch aus Metall oder Kunststoff oder Keramik ausgebildet sein kann, verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt, wird. Hierzu wird üblicherweise auf die Deckplatte 4 ein Klebstoff 6, insbesondere in der Art einer Klebstofffolie, oder mittels Siebdruck appliziert. Anschließend wird die Kanalplatte 3 gegen die Deckplatte 4 verspannt und in einen Ofen verbracht, in dem die Wärmeübertragerplatte 1 bei einer Temperatur T zwischen 80°C und 300°C für maximal zehn Minuten erhitzt und dadurch der Klebstoff 6 aktiviert und ausgehärtet wird. Vor dem Verkleben der Deckplatte 4 mit der Kanalplatte 3 kann selbstverständlich noch die Turbulenzeinlage 13 eingebracht werden.
Mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 lässt sich diese nicht nur deutlich kostengünstiger im Vergleich zum bisherigen Lötprozessen und deutlich kostengünstiger im Hinblick auf bisherige Werkstoffe herstellen, sondern zudem auch deutlich gewichtsreduziert, was insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen von großem Vorteil ist.

Claims

Wärmeübertragerplatte (1) für einen Wärmeübertrager (2), insbesondere für einen Batteriekühler, mit einer umgeformten Kanalplatte (3) und einer damit dicht verbundenen Deckplatte (4), die zusammen eine innenliegende Kanalstruktur (5) begrenzen,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest die Kanalplatte (3) aus Papier ausgebildet und mit der Deckplatte (4) verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt, ist.
Wärmeübertragerplatte nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest die Kanalplatte (3) aus technischem Papier mit einer Dichte von ca. 1,35g/cm³ ausgebildet ist.
Wärmeübertragerplatte nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckplatte (4) aus Papier, aus Keramik, aus Kunststoff oder aus Metall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet ist.
Wärmeübertragerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kanalplatte (3) einen angeformten Einlassstutzen (7) und/oder einen angeformten Auslassstutzen (8) aufweist.
Wärmeübertragerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kanalstruktur (5) einen Einströmbereich (9) und einen Kanalbereich (11) aufweist, oder

- die Kanalstruktur (5) einen Einströmbereich (9), einen Kanalbereich (11), einen Umlenkbereich (10) und insbesondere einen Rückströmbereich (12) aufweist.
Wärmeübertragerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Kanalplatte (3) und der Deckplatte (4) eine Turbulenzeinlage (13), insbesondere aus Metall, angeordnet ist, die mit der Kanalplatte (3) und/oder der Deckplatte (4) verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt, ist.
Wärmeübertragerplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Wärmeübertragerplatte (4) ein elektrischer Kontakt (14), insbesondere eine Schaltung oder eine Erdung, aufgedruckt sind.
Wärmeübertrager (2), insbesondere ein Batteriekühler, mit zumindest einer Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem
- zumindest die Kanalplatte (3) aus Papier geformt wird,

- auf die Kanalplatte (3) und/oder auf die Deckplatte (4) ein Klebstoff (6), insbesondere durch Kaschieren, aufgebracht wird,

- die Kanalplatte (3) gegen die Deckplatte (4) verspannt und in einem Ofen erhitzt wird,

- die Wärmeübertragerplatte (1) bei einer Temperatur 80 °C < t < 300 °C für maximal 10 min erhitzt und dadurch der Klebstoff (6) aktiviert und ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Turbulenzeinlage (13) in die Kanalplatte (3) eingelegt und anschließend die Kanalplatte (3) gegen die Deckplatte (4) verspannt wird.