WO2009097639A2 - Einfache für massenproduktion geeignete bauweise für komplexe hydropneumatiscbe systeme - Google Patents

Einfache für massenproduktion geeignete bauweise für komplexe hydropneumatiscbe systeme Download PDF

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels

Definitions

  • the invention relates to a simple suitable for mass production design for complex hydropneumatic systems or parts of such systems, in particular fluid power devices in which liquid and / or gaseous media are controlled for the purpose of evaporation, condensation, absorption and / or chemical reaction and possibly also by means of other liquid and / or gaseous media exchange heat, such as absorption chillers and heat pumps, solar heating and cooling systems, columns for fractional distillation etc ..
  • microchemical reactors which are constructed analogously to microchips of plate-like superimposed structures (see, for example: DE19708472A1, DE10005549A1, EP1031375A2, US5534328A, DE19959249A1, DE10036633A1) wherein these plate-like elements or modules are produced separately and then sealed be pressed, glued or otherwise firmly connected.
  • measuring or control elements can also be installed.
  • the individual plates are modular exchangeable.
  • a significant disadvantage is that these so-called plates are nevertheless three-dimensional bodies because they each have recessed channels or other structures on one or both surfaces, in some cases even holes parallel to the plane of the plate, electrical cables or conventional control valves. Thus, the production is complicated and expensive.
  • the aim of the invention is a construction method for hydropneumatic systems including heat exchangers, which is not based on standard sized prefabricated components, but of parts that can be produced in each workshop with minimal effort and the exact calculation can be optimally dimensioned so that thus hydropneumatic Apparatus in which liquid and / or gaseous media for the purpose of evaporation, condensation, absorption and / or chemical reaction means other liquid and / or gaseous media exchange the heat, in particular absorption chillers and heat pumps, built, tested, created with little effort optimized variants and thus created prototypes 1: 1 can be converted into mass production.
  • This building system should make it possible to build for each individual case all system elements with exactly the optimal dimensions, which can be calculated from the flow theory and should do without complicated piping system, ie all components of the system, including heat exchangers, measuring and control elements, should be integrated in the form of many layers in a single compact block, analogous to the structure of a computer chip. Only two-dimensional shapes are to be cut out of each layer, which is easy to accomplish with computer-controlled machines such as laser cutters or water jet cutters and can be carried out for mass production by means of punching. When plates are cast or pressed, these two-dimensional shapes can be given in the same cast or press mold.
  • this construction method for complex hydropneumatic systems which in particular contain substantially non-entreachable three-dimensional connections of / with heat exchangers, pumps and / or measuring and control elements, consists in dividing the three-dimensional system into a system of two-dimensional superimposed elements, wherein connections within the respective levels through channels and connections between the levels among themselves by corresponding openings in the levels themselves are produced and these levels can also contain additional components, consisting of a number of predominantly two-dimensional elements, that is smooth, flat plates made of different materials, namely separating plates of good thermal conductivity material, preferably metal, insulating plates of poor thermal conductivity material, mold plates elastic sealing material or a hard bondable, solderable or weldable material, control plates with moving parts (for valves) and special plates (eg printed circuit boards for electrical installations and sensors, diaphragm pumps and other three-dimensional elements), which are glued, soldered, welded, screwed or other suitable methods are joined tightly and flatly to one another and are connected to form a solid block,
  • Heat exchangers are inventively formed by adjacent and by good heat conducting partition plates separate mold plates whose slots or channels largely but not necessarily correspond to each other nationwide. In this case, several heat exchangers can be accommodated on a mold plate pair divided by a separating plate. Conversely, it is possible to combine a larger number of mold plates and intermediate separating plates to a single heat exchanger. For rule elements, this condition of two-dimensionality can not be achieved in the strict sense, but still largely. Thus, in the case of a check valve, a ball and an O-ring are added according to the invention.
  • the O-ring sits in a circular hole (with the outer diameter of the O-ring) of a plate whose thickness is slightly smaller than the cord thickness of the O-ring between two other plates, which also has a circular hole at the corresponding point have slightly smaller radius, so that the O-ring is clamped and fixed in between and to this O-ring on both sides close rows of holes orthogonal to the plate plane, with one side of the O-ring these holes are dimensioned so that a ball can move freely over a certain distance.
  • a return spring can be installed or you set the plate levels horizontally, so that the ball falls back by its own weight on the O-ring.
  • a shut-off valve according to the invention is also achieved by a valve seat in the form of an O-ring as in the ball valve, wherein instead of a ball, a cone occurs, which is actuated either mechanically via an axis orthogonal to the plate plane from the outside or electromechanically via an electromagnet, in a Special plate is housed in the immediate vicinity of the valve in the valve axis.
  • a multi-way valve according to the invention by a plurality of successive, lined up on the same axis O-rings, the assembly is carried out as the ball valve, through these O-rings in an orthogonal to the plate plane displaceable tube with several lateral holes, through which, depending on their position different mold plates are connected together, is plugged, which is either mechanically actuated via an axis orthogonal to the plate plane from the outside or electromechanically via an electromagnet, which is housed in a special plate in the immediate vicinity of the valve in the valve axis.
  • Electrical installations are a special form of special plates according to the invention according to the type of printed circuit boards, which are inserted in the appropriate plane between the system plates, these circuit boards partially protrude laterally from the normally flush block of the remaining plates to attach electrical contacts or electronic components.
  • Electrical sensors for temperature, pressure or other system parameters are mounted according to the invention directly on a special plate, usually a printed circuit board, being directly on this circuit board a mold plate with a corresponding recess for receiving the sensor is added and this opening against the rest of the system by a Separation plate or by an elastic membrane (eg for pressure measurement) is completed.
  • a special plate usually a printed circuit board, being directly on this circuit board a mold plate with a corresponding recess for receiving the sensor is added and this opening against the rest of the system by a Separation plate or by an elastic membrane (eg for pressure measurement) is completed.
  • An inventive shut-off valve with a valve seat in the form of an O-ring as in the ball valve wherein instead of a ball enters a cone which is either mechanically actuated via an axis orthogonal to the plane of the plate from the outside or electromechanically via an electromagnet, in a special plate in the immediate Valve proximity is accommodated in the valve axis, adapts to the extensive two-dimensionality, in particular a piping of the system is avoided because yes yes conventional shut-off valves are always part of a pipe system.
  • An inventive multi-way valve by a plurality of successively arranged on the same axis O-rings, the assembly is carried out as the ball valve, said through these O-rings a displaceable in orthogonal to the plane of the plate tube with a plurality of lateral holes, through which depending on their position different mold plates with each other are plugged, which is either mechanically actuated via an axis orthogonal to the plate plane from the outside or electromechanically via an electromagnet, which is housed in a special plate in the immediate vicinity of the valve in the valve axis, also does not disturb the required extensive two-dimensionality, creating a piping of the System is avoided.
  • Inventive electrical sensors for temperature, pressure or other system parameters which are attached directly to a printed circuit board, wherein directly on this circuit board, a mold plate is added with a corresponding recess for receiving the sensor, on the one hand do not disturb the required extensive two-dimensionality, but on the other hand allow to pass on all relevant system parameters directly to the electronic components of the system control without installing a manually mountable cable network between the hydropneumatic system and external electronics.
  • 1 shows, by way of example, how with the construction according to the invention for complex hydropneumatic systems with heat exchangers and / or measuring and control elements possible subsection of such a system, namely a distillation plant with
  • Rectifier could be built.
  • Tl first partition plate, which is the primary side of the secondary side of the
  • T2 second separating plate, which separates the distillation vessel and the rectification column from the heating wire and from the temperature measuring probes.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section (cross section through the plates) by a check valve according to the invention.
  • the letters and numbers mean:
  • valve channel to create movement space for the ball. 4 "... asymmetric narrowing of the valve channel as a ball stop, where the ball can not move the flow path.
  • Fig. 3 shows a longitudinal section through a multi-way valve according to the invention.
  • the letters and numbers mean:
  • FIG. 1 shows, by way of example, how with the construction according to the invention for complex hydropneumatic systems with heat exchangers and / or measuring and control elements a possible partial section from a larger system (eg an ammonia-water absorption refrigeration machine), namely a distillation plant with rectifier (2), could be built.
  • a larger system eg an ammonia-water absorption refrigeration machine
  • the actual distillation unit is cut in two dimensions out of the mold plate F1.
  • the filling (10) and emptying (11) of the cooking vessel (1) takes place through the holes in the neighboring plates (4).
  • the upper rectifier (2) simulates horizontal vessels in which the rectification condensate collects before it flows back into the cooking vessel (1).
  • the cooling of the rectifier (2) takes place through the separating plate (T1) through the cooling water in the channel (3) in the mold plate (F2).
  • the cooling water (3) is thus guided on the one hand through the partition plate (Tl) and on the other hand through the insulation plate (I) in the channel (3) of the mold plate.
  • the group of three plates (Fl), (Tl), (F2) can be repeated, but then in the plates (Tl) additional holes would have to be attached and the rectifier steam outlet (12) would have to be laid laterally something, to avoid overlap with the cooling water inlet (13).
  • the recess for the cooker (1) (but only this, not against the rectifier (2)) would be cut into the partition plate (Tl) and the mold plate (F2), so that the cooking vessel then expands over several plates.
  • the heating of the cooking vessel (1) takes place electrically through the heating wire (8) through the Separating plate (T2) through.
  • This heating wire (8) is mounted on a special plate in the form of an electrical circuit board (L) and relates via corresponding lines (7) its power.
  • the heating wire (8) is located in a recess (9) of the mold plate (F3).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine einfache Bauweise für hydropneumatische Systeme, welche dreidimensionale Verbindungen von Wärmetauschern, Pumpen und Mess- und Regelelementen enthalten, wobei das dreidimensionale System in ein System zweidimensionaler überlagerter Elemente aufgeteilt wird, wo Verbindungen innerhalb der Ebenen durch Kanäle und Verbindungen zwischen den Ebenen durch Öffnungen in den Ebenen selbst hergestellt werden und diese Ebenen zusätzliche zweidimensionale Bauteile enthalten, bestehend aus Trennplatten (T) aus gut wärmeleitfähigem Material, Isolierplatten (I) aus schlecht wärmeleitfähigem Material, Formplatten (F), Regelungsplatten mit beweglichen Teilen und Sonderplatten (S), die dicht und flächig aufeinander gefugt zu einem Block verbunden werden, wobei jede Formplatte (F) zwischen Trennplatten (T) oder Isolierplatten (I) liegt, sich in den Formplatten (F) ausgeschnittene Kanäle befinden, welche Medien innerhalb der Plattenebene leiten, wobei Kanäle benachbarter Formplatten miteinander weitgehend korrespondieren, um optimalen Wärmeübergang zu ermöglichen, und sich in allen Platten Löcher befinden, wodurch Verbindungswege zwischen Kanälen unterschiedlicher Formplatten hergestellt werden, die nicht benachbart sind.

Description

Einfache für Massenproduktion geeignete Bauweise für komplexe hydropneuniatische Systeme
Die Erfindung betrifft eine einfache für Massenproduktion geeignete Bauweise für komplexe hydropneumatische Systeme oder von Teilen solcher Anlagen, insbesondere fluidtechnische Apparate, in denen flüssige und/oder gasförmige Medien zum Zweck der Verdampfung, Kondensation, Absorption und/oder chemischen Reaktion gesteuert bewegt werden und eventuell auch mittels anderer flüssiger und/oder gasförmiger Medien die Wärme austauschen, beispielsweise Absorptionskältemaschinen und -Wärmepumpen, solare Heiz- und Kühlanlagen, Kolonnen für fraktionierte Destillation etc..
Im Apparatebau werden Standardteile verwendet, insbesondere Wärmetauscher und Mess- und Regelungselemente, die durch ebenso standardisierte Verrohrungselemente verbunden werden. Derartige Rohrsysteme können zu komplizierten Netzwerken werden, die hohe Anforderung an die Montage stellen und nur schwer zu standardisieren sind, was zu hohen Arbeitskosten und sogar zu Montagefehlem führt, was speziell bei Massenproduktion hinderlich ist.
Die übliche Methode Standardbauteile zu Netzwerken zu verbinden führt speziell dann zu Problemen, wenn in solchen Systemen Wärmetauscher verwendet werden:
- Wegen der großen Zahl möglicher unterschiedlicher Systemkonfigurationen müssten entweder hunderttausende verschiedene Wärmetauscher angeboten werden. Nimmt man nur die wichtigsten Systemparameter, also Ein- und Ausgangstemperatur, Flussmenge und Viskosität und das jeweils für Primär- und Sekundärseite, so sind das 8 Bestimmungsgrößen. Auch wenn man für jede dieser Größen nur ungefähre Werte wie klein, mittel oder groß vorgibt, ist wegen der 8- ten Potenz leicht einzusehen, wie groß die Zahl der unterschiedlichen Fälle wird (aus der Sicht des Wärmetauscherdesigns sind es ebenfalls 8 Bestimmungsgrößen, nämlich für Primär- und Sekundärseite jeweils Schichtdicke, Schichtlänge, Schichtbreite und Rauhigkeit der Oberfläche). Andererseits müsste man in Kauf nehmen, dass die praktisch erreichbaren Leistungen sich weit von den theoretisch errechneten unterscheiden. Man kann ohne Übertreibung annehmen, dass ein Großteil der mit Standardwärmetauschern ausgerüsteten Systeme falsch dimensioniert ist. - Da Wärmetauscherhersteller in der Praxis nur relativ wenige Modelle anbieten, sollen diese einen großen Einsatzbereich abdecken. Typisch für diese Strategie sind moderne Plattenwärmetauscher. Diese haben den Vorteil einer großen Wärmeübertragungsfläche. Gleichzeitig entsteht aber durch die Bauweise der parallelen Platten ein großer Strömungsquerschnitt. In Anwendungen mit großem Temperaturunterschied zwischen Einströmen und Ausströmen eines Mediums führt das notwendigerweise zu einer kleinen Fließgeschwindigkeit und damit zu einem schlechten Wärmeübergang zwischen Medium und Plattenoberfläche. Man prägt daher Rillen in die Platten, um die Strömung zu verwirbeln. Bei langsamer Strömung kommt es aber in diesen Rillen zu Schmutzablagerungen. Außerdem ist zu beachten, dass durch die Verwirbelung die Reynoldszahl kaum steigt. Turbulenter Wärmeübergang ist zwar besser als laminarer, aber eine hohe Reynoldszahl könnte den Wärmeübergang um Größenordnungen besser machen.
- Zur besseren Anpassung der Plattenwärmetauscherdimensionen an die Bedürfhisse des Anwenders gibt es verschraubte Plattenwärmetauscher, bei denen gerillte Platten zu einem Block zusammengefügt werden, wobei zwischen je zwei Platten am Außenrand ein Dichtungsring liegt, der ein Austreten des Mediums verhindern soll. Dadurch kann man einerseits die Platten reinigen und andererseits werden die Plattenzahl und damit auch der Strömungsquerschnitt bis zu einem gewissen Grad variabel. Aus theoretischen Berechnungen für den optimalen Wärmeübergang (Siehe z.B.: Gröber H., S.Erk u. U. Grigull: Die Grundgesetze der Wärmeübertragung, 3. Aufl. Berlin Göttingen, Heidelberg: Springer 1961, S.229-242) folgt aber, dass die optimale Flusslänge innerhalb eines Wärmetauschers häufig viele Meter betragen soll. Man kann zwar solche Plattenwärmetauscher auch so bauen, dass die einzelnen Plattenfächer in Serie hintereinander durchströmt werden, aber dann ist der Strömungsquerschnitt trotzdem durch die Plattenbreite fest vorgegeben. Für den besonders häufig vorkommenden Fall von Wärmeaustausch im Kilowattbereich liegen ideale Strombreiten im Bereich von Millimetern bis zu wenigen Zentimetern.
- Rohrverbindungen zwischen Wärmetauschern und Regelelementen können sehr kompliziert und voluminös werden. Auch wenn hier Standardelemente eingesetzt werden können, ist die Montage ziemlich arbeitsaufwändig. Beispielsweise sind für eine einfache Ammoniak- Absorptionskältemaschine zwischen 50 und 100 Rohrverbindungen zu verschweißen. Da jede Schweißstelle den Zugang für das Schweißgerät erlauben muss, ergibt sich ein großer Volumenbedarf.
- Der Zusammenbau, insbesondere der Verrohrung kann für eine Serienfertigung nur sehr schwer vereinfacht und automatisiert werden. Handarbeit kann allenfalls durch komplizierte Roboter ersetzt werden.
- Es gibt dreidimensionale Druckverfahren, mit denen dreidimensionale Körper aus Pulver oder einer Flüssigkeit durch Einbrennen mit Laser verfestigt werden, sodass auch Körper mit beliebigen Hohlräumen entstehen können. Man könnte prinzipiell auch hydropneumatische Systeme auf diese Weise aufbauen, freilich ist der Ansatz der vorliegenden Erfindung ein anderer, weil die Berücksichtigung thermischer und sogar elektrischer Ströme die Kombination unterschiedlicher Plattenmaterialien erfordert, die mit einer solchen Drucktechnik nur mit sehr hohem Komplikationsgrad und hohen Kosten zu inkorporieren wären.
- Es sind eine Reihe von mikrochemischen Reaktoren vorgeschlagen worden, die analog zu Mikrochips aus plattenartig übereinander geschichteten Strukturen aufgebaut sind (siehe z.B.: DE19708472A1, DE10005549A1, EP1031375A2, US5534328A, DE19959249A1, DE10036633A1) wobei diese plattenartigen Elemente oder Module getrennt hergestellt und erst danach dicht verpresst, verklebt oder sonst wie fest verbunden werden. Dabei können auch Mess- oder Regelelemente mit eingebaut werden. Als Vorteil wird dabei angegeben, dass die einzelnen Platten modular austauschbar seien. Ein wesentlicher Nachteil ist allerdings, dass diese so genannten Platten dennoch dreidimensionale Körper sind, weil sie jeweils auf einer oder beiden Oberflächen vertiefte Kanäle oder andere Strukturen besitzen, in manchen Fällen sogar Bohrungen parallel zur Plattenebene, elektrische Kabel oder herkömmliche Steuerungsventile. Damit wird die Herstellung aufwendig und teuer.
Ziel der Erfindung ist eine Baumethode für hydropneumatische Systeme unter Einschluss von Wärmetauschern, die nicht auf standardgemäß dimensionierten vorgefertigten Bauelementen beruht, sondern aus Teilen, die in jeder Werkstatt mit minimalem Aufwand herstellbar sind und der genauen Berechnung entsprechend optimal dimensioniert werden können, so dass damit hydropneumatische Apparate in denen flüssige und/oder gasförmige Medien zum Zweck der Verdampfung, Kondensation, Absorption und/oder chemischen Reaktion mittels anderer flüssiger und/oder gasförmiger Medien die Wärme austauschen, insbesondere Absorptionskältemaschinen und -Wärmepumpen, gebaut, getestet, mit geringem Aufwand optimierte Varianten erstellt und solcherart erstellte Prototypen 1 :1 in die Massenfertigung übergeführt werden können. Dieses Bausystem soll es erlauben, für jeden Einzelfall alle Systemelemente mit genau den optimalen Dimensionen zu bauen, die sich aus der Strömungstheorie berechnen lassen und soll ohne kompliziertes Verrohrungssystem auskommen, das heißt alle Bauelemente des Systems, also auch Wärmetauschern, Mess- und Regelungselemente, sollen in der Gestalt vieler Schichten in einem einzigen kompakten Block integriert sein, analog zum Aufbau eines Computerchips. Aus jeder Schicht sollen dabei nur zweidimensionale Formen herausgeschnitten werden, was mit computergesteuerten Maschinen wie Laserschneidern oder Wasserstrahlschneidern leicht zu bewerkstelligen ist und für eine Massenproduktion mittels Stanzen ausgeführt werden kann. Wenn Platten gegossen oder gepresst werden, können diese zweidimensionalen Formen gleich in der Gussoder Pressform vorgegeben werden.
Da in der Literatur (siehe z.B.: DE19708472A1, DE10005549A1, EP1031375A2, US5534328A, DE19959249A1, DE10036633A1) häufig von Platten gesprochen wird, wo in einer oder gar beiden Oberflächen Kanäle eingeritzt, eingebrannt, eingeschnitten sind oder durch Metall abtragende oder -auftragende Verfahren gebildet worden sind wodurch streng genommen komplexe dreidimensionale Formen entstehen, sei hier explizit darauf hingewiesen, dass es sich in der vorliegenden Erfindung um Platten handelt, wo die Kanäle voll ausgeschnitten sind, so dass die dadurch entstandene Öffnung von einer bis zur anderen Plattenoberfläche reicht. Dies ist deshalb wichtig, da die erfindungsgemäße Bauform nicht für Mikroreaktoren gedacht ist, und für größere Anlagen in Massenproduktion nur eine echte zweidimensionale Ausführung der Platten kostengünstig ist. Im weiteren Text wird von „vorwiegend zweidimensionalen Elementen" gesprochen, da es streng genommen natürlich keine zweidimensionalen Körper gibt. Gemeint sind gleichmäßig dicke Platten, deren äußere und innere Ränder durch zweidimensionale Figuren definiert sind.
Erfindungsgemäß besteht diese Baumethode für komplexe hydropneumatische Systeme, welche insbesondere im Wesentlichen nicht entflechtbare dreidimensionale Verbindungen von/mit Wärmetauschern, Pumpen und/oder Mess- und Regelelementen enthalten, darin, dass das dreidimensionale System in ein System zweidimensionaler überlagerter Elemente aufgeteilt wird, wobei Verbindungen innerhalb der jeweiligen Ebenen durch Kanäle und Verbindungen zwischen den Ebenen untereinander durch korrespondierende Öffnungen in den Ebenen selbst hergestellt werden und diese Ebenen auch zusätzliche Bauteile enthalten können, bestehend aus einer Anzahl vorwiegend zweidimensionaler Elemente, das heißt glatter, ebener Platten aus unterschiedlichen Materialien, nämlich Trennplatten aus gut wärmeleitfähigem Material, vorzugsweise Metall, Isolierplatten aus schlecht wärmeleitfähigem Material, Formplatten aus elastischem Dichtungsmaterial oder aus einem harten verkleb-, verlöt- oder verschweißbaren Material, Regelungsplatten mit beweglichen Teilen (für Ventile) und Sonderplatten (z.B. Leiterplatten für elektrische Installationen und Sensoren, Membranpumpen und andere dreidimensionale Elemente), die durch Kleben, Löten, Verschweißen, Verschrauben oder andere geeignete Methoden dicht und flächig aufeinander gefügt und zu einem festen Block verbunden sind, wobei jede Formplatte im Normalfall zwischen Trennplatten oder Isolierplatten zu liegen kommt und sich in den Formplatten ausgeschnittene, ausgestanzte oder evtl. bei einem Guss ausgesparte Kanäle befinden, die eventuell verzweigt sein können, welche Flüssigkeiten oder Gase innerhalb der jeweiligen Plattenebene leiten können, wobei in der Regel die Kanäle benachbarter, nur durch eine Trennplatte separierter Formplatten miteinander weitgehend korrespondieren, um einen optimalen Wärmeübergang durch die Trennplatte hindurch zu ermöglichen, und sich in allen Platten Löcher befinden können, welche mit Löchern in anliegenden Platten korrespondieren, wodurch Verbindungswege zwischen Kanälen unterschiedlicher Formplatten hergestellt werden, die nicht unmittelbar benachbart sind.
Wärmetauscher werden erfindungsgemäß durch benachbarte und durch gut Wärme leitende Trennplatten getrennte Formplatten gebildet, deren Schlitze oder Kanäle miteinander weitgehend aber nicht notwendig flächendeckend korrespondieren. Dabei können auf einem von einer Trennplatte geteilten Formplattenpaar auch mehrere Wärmetauscher untergebracht werden. Umgekehrt ist es möglich eine größere Zahl von Formplatten und dazwischen liegenden Trennplatten zu einem einzigen Wärmetauscher zu vereinigen. Für Regelelemente kann diese Bedingung der Zweidimensionalität zwar nicht im strengen Sinn, aber doch weitgehend erreicht werden. So kommen bei einem Rückschlagventil erfindungsgemäß eine Kugel und ein O-Ring hinzu. Der O-Ring sitzt dabei in einem kreisförmigen Loch (mit dem Außendurchmesser des O-Rings) einer Platte, deren Dicke etwas kleiner als die Schnurdicke des O-Rings ist, zwischen zwei andern Platten, die an der korrespondierenden Stelle ebenfalls ein kreisförmiges Loch mit etwas kleinerem Radius haben, sodass der O-Ring dazwischen eingeklemmt und fixiert wird und an diesen O-Ring schließen zu beiden Seiten Lochreihen orthogonal zur Plattenebene an, wobei an einer Seite des O-Rings diese Löcher so dimensioniert sind, dass sich darin eine Kugel über einen gewissen Abstand frei bewegen kann. In diesem Bereich kann eine Rückholfeder installiert sein oder man legt die Plattenebenen horizontal, damit die Kugel durch ihr eigenes Gewicht auf den O-Ring zurückfällt.
Ein Absperrventil wird erfindungsgemäß ebenso durch einen Ventilsitz in Form eines O- Rings wie beim Kugelventil erreicht, wobei an Stelle einer Kugel ein Kegel tritt, der entweder mechanisch über eine Achse orthogonal zur Plattenebene von außen betätigt wird oder elektromechanisch über einen Elektromagneten, der in einer Sonderplatte in unmittelbarer Ventilnähe in der Ventilachse untergebracht ist.
Ein Mehrwegeventil wird erfindungsgemäß durch mehrere hintereinander, auf der gleichen Achse aufgereihte O-Ringe, deren Montage wie beim Kugelventil erfolgt, erreicht, wobei durch diese O-Ringe ein in orthogonal zur Plattenebene verschiebbares Rohr mit mehreren seitlichen Löchern, durch welche je nach deren Position unterschiedliche Formplatten miteinander verbunden werden, gesteckt wird, welches entweder mechanisch über eine Achse orthogonal zur Plattenebene von außen betätigt wird oder elektromechanisch über einen Elektromagneten, der in einer Sonderplatte in unmittelbarer Ventilnähe in der Ventilachse untergebracht ist.
Elektroinstallationen werden als Spezialform der Sonderplatten erfindungsgemäß nach Art gedruckter Leiterplatten, welche in der entsprechenden Ebene zwischen die Systemplatten eingefügt werden, ermöglicht, wobei diese Leiterplatten teilweise aus dem normalerweise bündigen Block der übrigen Platten seitlich herausstehen um darauf elektrische Kontakte oder elektronische Bauelemente zu befestigen.
Elektrische Sensoren für Temperatur, Druck oder andere Systemparameter werden erfindungsgemäß direkt auf einer Sonderplatte befestigt, in der Regel eine Leiterplatte, wobei unmittelbar auf diese Leiterplatte eine Formplatte mit einer entsprechenden Ausnehmung für die Aufnahme des Sensors gefügt wird und diese Öffnung gegen das restliche System durch eine Trennplatte oder durch eine elastische Membran (z.B. für Druckmessung) abgeschlossen wird.
Die erfindungsgemäße Bauweise hydropneumatischer Systeme unter Einschluss von Wärmetauschern erlaubt es komplizierte Apparaturen mit relativ einfachen Maschinen und unter geringem Arbeitsaufwand genau so zu bauen, wie es einem theoretisch optimalen Design entspricht. Dadurch, dass Platten für jeden Anwendungsfall gesondert berechnet und geschnitten bzw. gestanzt werden, ist immer garantiert, dass alle errechneten strömungsdynamischen Parameter optimal eingehalten werden können. Umgekehrt erlaubt die relativ einfache Geometrie einer solchen Plattenanordnung eine genaue experimentelle Überprüfung der theoretischen Annahmen, was insbesondere bei komplizierten vernetzten Systemen hilfreich ist. Daher können Prototypen in dieser Bauweise leichter optimiert werden und die schlussendliche Bauweise eines solchen Prototyps kann problemlos in die Massenproduktion übernommen werden.
Komplizierter Verrohrungssysteme, insbesondere wenn sie nicht entflechtbar sind, erfordern aufwendige Montagearbeit, die nur unter großem Einsatz an Handarbeit oder mittels teurer Industrieroboter geleistet werden kann. Die erfindungsgemäße Bauweise aus zweidimensionalen Elementen vermeidet dagegen diesen Aufwand, da Rohrverbindungen gar nicht explizit geformt werden, sondern nur implizit als Aussparungen in den Platten existieren.
Der erfindungsgemäße Bau von Wärmetauschern als integraler Teil eines im Zusammenhang optimierten Systems, insbesondere dadurch, dass benachbarte und durch gut wärmeleitende Trennplatten getrennte Formplatten Kanäle aufweisen, die miteinander weitgehend aber nicht notwendig flächendeckend korrespondieren, durch welche Primär- und Sekundärmedien, die miteinander die Wärme tauschen sollen, zirkulieren, erlaubt es durch die Wahl der Formplattendicken und durch die freie Wählbarkeit von Kanalbreite und Kanallänge für die Primär- und Sekundärseite den strömungstechnisch optimalen Wärmeübergang zu schaffen, wie es durch keinen industriell produzierten Standardwärmetauscher möglich ist. Die erfindungsgemäße Möglichkeit, auf einem von einer Trennplatte geteilten Formplattenpaar mehrere Wärmetauscher unterzubringen, bringt eine bedeutende Platzersparnis mit sich. Die erfindungsgemäße Bauweise eines Rückschlagventils aus einer Kugel und einem O-Ring, wobei der O-Ring in einem kreisförmigen Loch (mit dem Außendurchmesser des O-Rings) einer Platte deren Dicke etwas kleiner als die Schnurdicke des O-Rings ist sitzt, zwischen zwei andern Platten, die an der korrespondierenden Stelle ebenfalls ein kreisförmiges Loch mit etwas kleinerem Radius haben, sodass der O-Ring dazwischen eingeklemmt und fixiert wird, ist eine besonders einfache Bauweise eines Rückschlagventils, die sich an die geforderte weitgehende Zweidimensionalität optimal anpasst. Ein erfindungsgemäßes Absperrventil mit einem Ventilsitz in Form eines O-Rings wie beim Kugelventil, wobei an Stelle einer Kugel ein Kegel tritt, der entweder mechanisch über eine Achse orthogonal zur Plattenebene von außen betätigt wird oder elektromechanisch über einen Elektromagneten, der in einer Sonderplatte in unmittelbarer Ventilnähe in der Ventilachse untergebracht ist, passt sich an die weitgehende Zweidimensionalität an, insbesondere wird dadurch eine Verrohrung des Systems vermieden, weil ja herkömmliche Absperrventile immer Teil eines Rohrsystems sind.
Ein erfindungsgemäßes Mehrwegeventil durch mehrere hintereinander, auf der gleichen Achse aufgereihte O-Ringe, deren Montage wie beim Kugelventil erfolgt, wobei durch diese O-Ringe ein in orthogonal zur Plattenebene verschiebbares Rohr mit mehreren seitlichen Löchern, durch welche je nach deren Position unterschiedliche Formplatten miteinander verbunden werden, gesteckt wird, welches entweder mechanisch über eine Achse orthogonal zur Plattenebene von außen betätigt wird oder elektromechanisch über einen Elektromagneten, der in einer Sonderplatte in unmittelbarer Ventilnähe in der Ventilachse untergebracht ist, stört ebenfalls nicht die geforderte weitgehende Zweidimensionalität, wodurch eine Verrohrung des Systems vermieden wird.
Erfindungsgemäße Elektroinstallationen über gedruckte Leiterplatten, welche in der entsprechenden Ebene zwischen die Systemplatten eingefügt werden, wobei diese Leiterplatten teilweise aus dem Block der übrigen Platten seitlich herausstehen um darauf elektrische Kontakte oder elektronische Bauelemente zu befestigen, erfüllen einerseits die geforderte weitgehende Zweidimensionalität, ermöglichen andererseits aber die kompakte Bauweise der elektronischen Steuerung des jeweiligen hydropneumatischen Systems unter Einschluss von Wärmetauschern, welche eine vollautomatische Massenfertigung erlaubt. Erfindungsgemäße elektrische Sensoren für Temperatur, Druck oder andere Systemparameter, welche direkt auf einer Leiterplatte befestigt werden, wobei unmittelbar auf diese Leiterplatte eine Formplatte mit einer entsprechenden Ausnehmung für die Aufnahme des Sensors gefügt wird, stören einerseits nicht die geforderte weitgehende Zweidimensionalität, ermöglichen andererseits aber, alle relevanten Systemparameter direkt an die elektronischen Bauelemente der Systemsteuerung weiterzugeben, ohne dafür ein nur händisch montierbares Kabelnetz zwischen hydropneumatischem System und externer Elektronik zu installieren. Fig. 1 zeigt beispielhaft, wie mit der erfindungsgemäßen Bauweise für komplexe hydropneumatische Systeme mit Wärmetauschern und/oder Mess- und Regelelementen ein möglicher Teilabschnitt aus einem solchen System, nämlich eine Destillationsanlage mit
Rektifikator, gebaut werden könnte.
Dabei bedeuten die Buchstaben und Nummern:
Fl ... erste Formplatte, welche das Destillationsgefäß und die Rektifikationskolonne enthält
F2... zweite Formplatte, welche die Wasserseite des Kühlerwärmetauschers, der die
Rektifikationskolonne kühlt, enthält
F3...dritte Formplatte, welche die Ausnehmungen für die Temperatursensoren enthält
Tl ... erste Trennplatte, die die Primärseite von der Sekundärseite des
Kühlerwärmetauschers trennt
T2...zweite Trennplatte, welche das Destillationsgefäß und die Rektifikationskolonne vom Heizdraht und von den Temperaturmesssonden trennt.
L...Leiterplatte, als Spezialform einer Sonderplatte
I...Isolierplatte
1...Ausnehmung für das Kochgefäß
2...Kanäle der Rektifikationskolonne
3...Kanäle der Wasserseite des Wärmetauschers
4...Löcher für Flussverbindungen orthogonal zu Plattenebene
5...Löcher zur Aufnahme von Messsonden
6...Temperaturmesssonden
7...elektrische Leitungen auf der Leiterplatte
8...isolierter elektrischer Heizdraht
9...Ausnehmung in der Formplatte für den elektrischen Heizdraht
10...Zuflussweg für die zu destillierende Lösung
11...Abflussweg für die nicht verdampfte Lösung
12...Abflussweg für den Dampf
13...Zuflussweg für Kühlwasser
14... Abflussweg für Kühlwasser
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt (Querschnitt durch die Platten) durch ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil. Dabei bedeuten die Buchstaben und Nummern:
4' ...erweiterter Ventilkanal, um Bewegungsraum für die Kugel zu schaffen. 4"... asymmetrische Verengung des Ventilkanals als Kugelstop, bei dem die Kugel den Strömungsweg nicht verlegen kann.
15...O-Ring im Querschnitt
16... Kugel
17... Rückholfeder
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mehrwegventil. Dabei bedeuten die Buchstaben und Nummern:
18...axial verschiebbares Rohr mit seitlichen Öffnungen
19...Verschiebestange
20...Ventilöfmung in axialer Richtung
21, 22...Ventilöffhungen zu Seitenkanälen, die in den durch das Ventil durchbrochenen Platten liegen
Um die Art der erfindungsgemäßen Bauweise verständlich zu machen, zeigt Fig.l beispielhaft, wie mit der erfindungsgemäßen Bauweise für komplexe hydropneumatische Systeme mit Wärmetauschern und/oder Mess- und Regelelementen ein möglicher Teilabschnitt aus einem größeren System (z.B. eine Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine), nämlich eine Destillationsanlage mit Rektifikator (2), gebaut werden könnte. Die eigentliche Destillationsanlage ist zweidimensional aus der Formplatte Fl herausgeschnitten. Die Füllung (10) und Entleerung (11) des Kochgefaßes (1) erfolgt durch die Löcher in den Nachbarplatten (4). Der oben liegende Rektifikator (2) simuliert horizontale Gefäße, in denen sich das Rektifikationskondensat sammelt, bevor es in das Kochgefaß (1) zurück rinnt. Die Kühlung des Rektifikators (2) erfolgt durch die Trennplatte (Tl) hindurch durch das Kühlwasser im Kanal (3) in der Formplatte (F2). Das Kühlwasser (3) wird also einerseits durch die Trennplatte (Tl) und andererseits durch die Isolationsplatte (I) im Kanal (3) der Formplatte geführt. Zufluss (13) und Abfluss (14) des Kühlwassers erfolgen über die Löcher (4). Für größere Leistungen eines solchen Systems kann die Dreiergruppe der Platten (Fl), (Tl), (F2) wiederholt werden, wobei dann allerdings in den Platten (Tl) zusätzliche Löcher anzubringen wären und der Rektifikatordampfausgang (12) seitlich etwas verlegt werden müsste, um eine Überschneidung mit dem Kühlwasserzufluss (13) zu vermeiden. Außerdem würde die Ausnehmung für den Kocher (1) (aber nur diese, nicht dagegen der Rektifikator (2)) auch in die Trennplatte (Tl) und die Formplatte (F2) eingeschnitten werden, sodass sich das Kochgefaß dann über mehrere Platten ausdehnt. Die Beheizung des Kochgefäßes (1) erfolgt elektrisch durch den Heizdraht (8) durch die Trennplatte (T2) hindurch. Dieser Heizdraht (8) ist auf eine Sonderplatte in Gestalt einer elektrischen Leiterplatte (L) montiert und bezieht über entsprechende Leitungen (7) seinen Strom. Der Heizdraht (8) liegt in einer Ausnehmung (9) der Formplatte (F3). In weiteren Ausnehmungen (5) dieser Platte (F3) und in Berührung mit der Trennplatte (T2) in unmittelbarer Nachbarschaft mit dem Rektifϊkator (2) liegen elektrische Thermosensoren (6), die auf der Leiterplatte (L) montiert sind und über elektrische Leitungen (7) mit der Regelungselektronik (nicht gezeichnet) verbunden sind. Die Leiterplatte (L) ragt oben etwas aus dem Plattenpaket heraus, um die elektrischen Anschlüsse zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche
1. Einfache für Massenproduktion geeignete Bauweise für komplexe hydropneumatische Systeme, welche insbesondere im Wesentlichen nicht entflechtbare dreidimensionale Verbindungen von/mit Wärmetauschern, Pumpen und/oder Mess- und Regelelementen enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale System in ein System zweidimensionaler überlagerter Elemente aufgeteilt wird, wobei Verbindungen innerhalb der jeweiligen Ebenen durch Kanäle und Verbindungen zwischen den Ebenen untereinander durch korrespondierende Öffnungen in den Ebenen selbst hergestellt werden und diese Ebenen auch zusätzliche Bauteile enthalten können, bestehend aus einer Anzahl vorwiegend zweidimensionaler Elemente, das heißt glatter, ebener Platten aus unterschiedlichen Materialien, nämlich Trennplatten (T) aus gut wärmeleitfähigem Material, vorzugsweise Metall, Isolierplatten (I) aus schlecht wärmeleitfähigem Material, Formplatten (F) aus elastischem Dichtungsmaterial oder aus einem harten verkleb-, verlöt- oder verschweißbaren Material, Regelungsplatten mit beweglichen Teilen (für Ventile) und Sonderplatten (S) (z.B. Leiterplatten für elektrische Installationen und Sensoren, Membranpumpen und andere dreidimensionale Elemente), die durch Kleben, Löten, Verschweißen, Verschrauben oder andere geeignete Methoden dicht und flächig aufeinander gefügt und zu einem festen Block verbunden sind, wobei jede Formplatte (F) im Normalfall zwischen Trennplatten (T) oder Isolierplatten (I) zu liegen kommt und sich in den Formplatten (F) ausgeschnittene, ausgestanzte oder evtl. bei einem Guss ausgesparte Kanäle (2), (3) befinden, die eventuell verzweigt sein können, welche Flüssigkeiten oder Gase innerhalb der jeweiligen Plattenebene leiten können, wobei in der Regel die Kanäle (2), (3) benachbarter nur durch eine Trennplatte (Tl) separierte Formplatten (Fl), (F2) miteinander weitgehend korrespondieren, um einen optimalen Wärmeübergang durch die Trennplatte hindurch zu ermöglichen, und sich in allen Platten Löcher (4) befinden können, welche mit Löchern in anliegenden Platten korrespondieren, wodurch Verbindungswege zwischen Kanälen unterschiedlicher Formplatten hergestellt werden, die nicht unmittelbar benachbart sind.
2. Wärmetauscher für ein System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte und durch gut wärmeleitende Trennplatten (Tl) getrennte Formplatten (Fl), (F2) Kanäle aufweisen, die miteinander weitgehend aber nicht notwendig flächendeckend korrespondieren, durch welche Primärmedien (13) und Sekundärmedien (12), die miteinander die Wärme tauschen sollen, zirkulieren, wobei auf einem von einer Trennplatte (Tl) geteilten Formplattenpaar (Fl), (F2) mehrere Wärmetauscher untergebracht werden können, es aber umgekehrt auch möglich ist, eine größere Zahl von Formplatten und dazwischen liegenden Trennplatten zu einem einzigen Wärmetauscher innerhalb des Gesamtsystems zu vereinigen.
3. Bauweise für ein Rückschlagventil für ein System nach Anspruch 1, bestehend aus einer Kugel (16) und einem O-Ring (15), dadurch gekennzeichnet, dass der O-Ring (15) als Ventilsitz für die Kugel (16) dient, so dass der O-Ring (15) dabei in einem kreisförmigen Loch (mit dem Außendurchmesser des O-Rings (15)) einer Platte sitzt, deren Dicke etwas kleiner als die Schnurdicke des O-Rings (15) ist, zwischen zwei Platten, die an der korrespondierenden Stelle ebenfalls ein kreisförmiges Loch mit etwas kleinerem Radius haben, sodass der O-Ring (15) dazwischen eingeklemmt und fixiert wird, und an diesen O-Ring (15) schließen zu beiden Seiten Lochreihen orthogonal zur Plattenebene an, wobei an einer Seite des O-Rings (15) diese Löcher über einen gewissen Abstand entsprechend der gewünschten freien Beweglichkeit der Kugel (16) größer als diese dimensioniert sind.
4. Bauweise für ein Absperrventil für ein System nach Anspruch 1 mit einem Ventilsitz wie in Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle einer Kugel ein Kegel tritt, der entweder mechanisch über eine Achse orthogonal zur Plattenebene von außen betätigt wird oder elektromechanisch über einen Elektromagneten, der in einer Sonderplatte in unmittelbarer Ventilnähe in der Ventilachse untergebracht ist.
5. Bauweise für ein Mehrwegeventil für ein System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere O-Ringe (15) hintereinander auf der gleichen Achse aufgereiht sind, deren Montage wie beim Rückschlagventil (Anspruch 3) erfolgt, wobei durch diese O-Ringe (15) ein in orthogonal zur Plattenebene verschiebbares Rohr (18) mit seitlichen Löchern (21), (22), evtl. auch mit axialen Löchern (20), durch welche je nach deren Position Kanäle unterschiedlicher Formplatten miteinander verbunden werden, gesteckt wird, welches entweder mechanisch über eine Achse (19) orthogonal zur Plattenebene von außen betätigt wird oder elektromechanisch über einen Elektromagneten, der in einer Sonderplatte in unmittelbarer Ventilnähe in der Ventilachse untergebracht ist.
6. Einbaumethode für Elektroinstallationen für ein System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (7) in eine Spezialform der Sonderplatten in Form gedruckter Leiterplatten (L), welche in der entsprechenden Ebene zwischen die Systemplatten liegen, eingefugt werden, wobei diese Leiterplatten teilweise aus dem normalerweise bündigen Block der übrigen Platten seitlich herausstehen um darauf elektrische Kontakte oder elektronische Bauelemente zu befestigen.
7. Einbaumethode für elektrische Sensoren für Temperatur (6), Druck oder andere Systemparameter für ein System nach Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese direkt auf einer Sonderplatte in Form einer gedruckten Leiterplatte (L) befestigt werden, wobei unmittelbar auf diese Leiterplatte (L) eine Formplatte (F3), welche neben ihren anderen Funktionen zusätzlich eine entsprechende Ausnehmung für die Aufnahme des Sensors (5) hat, zu liegen kommt und diese Öffnung gegen das restliche System durch eine Trennplatte (T2) oder durch eine elastische Membran (z.B. für Druckmessung) abgeschlossen wird.
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