WO2012000767A2 - Wärmeübertragerplatte, damit versehener plattenwärmeübertrager und verfahren zum herstellen eines plattenwärmeübertragers - Google Patents

Wärmeübertragerplatte, damit versehener plattenwärmeübertrager und verfahren zum herstellen eines plattenwärmeübertragers Download PDF

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Definitions

  • Heat exchanger plate thus provided plate heat exchanger and method for producing a plate heat exchanger
  • the present invention relates to a heat exchanger plate, a plate heat exchanger provided therewith and a method for producing a plate heat exchanger.
  • the present invention also relates to a plate heat exchanger with ceramic plates.
  • so-called plate heat exchangers or plate heat exchangers are often used in which the heat transfer area between the two media is formed a stapeiförmigen arrangement of so-called heat exchanger plates or heat exchanger plates which lie in the manner of a package to each other or one above the other, with directly adjacent heat exchanger plates form a flow space between them, directly adjacent flow spaces are separated from each other fluidly and each associated with one of the two media.
  • heat exchanger plates or heat exchanger plates which lie in the manner of a package to each other or one above the other, with directly adjacent heat exchanger plates form a flow space between them, directly adjacent flow spaces are separated from each other fluidly and each associated with one of the two media.
  • heat transfer takes place via the respective flow chambers limiting and separating heat transfer plates, which thus serve as boundary walls of the flow spaces and are sealed against each other by providing appropriate seals.
  • Known heat exchanger plates are formed, for example, metallic, so that their arrangement can be welded or soldered from a plurality of heat exchanger plates, so that the solder seam or weld simultaneously acts as a seal.
  • the invention is based on the object to provide a heat exchanger plate for a plate heat exchanger, a plate heat exchanger itself and a method for producing a heat exchanger plate, in which with a particularly high reliability and mechanical stability in a particularly effective manner heat transfer can be realized.
  • the object of the invention is based on a heat exchanger plate for a plate heat exchanger according to the invention with the features of independent claim 1, in a plate heat exchanger according to the invention with the features of independent claim 1 7 and in a method for producing a heat exchanger plate for a plate heat exchanger according to the invention with the features of independent claim 18 solved.
  • Advantageous developments are the subject matter of the dependent claims.
  • One aspect of the present invention is therefore to provide a ceramic material and in particular a SiC material or a silicon carbide material as a material for the heat exchanger plate for a plate heat exchanger instead of a metal material which is normally provided.
  • Another aspect of the present invention is to ensure the mechanical stability of the heat exchanger plate in such a choice of materials that some or all of the intended flow channels of the flow channel arrangement partially or completely channel webs that form completely or partially channel channels delimiting channel walls.
  • channel lands stabilize the flow channels of the flow channel assembly and thus the plate substrate as a whole in a mechanical manner, particularly when in use and installation in a plate heat exchanger they interact with other heat transfer plates and substantially support a given heat transfer plate on a directly adjacent heat transfer plate allow planar manner, so that imprinted by the flowing media impressions can not lead to plate breaks in the underlying ceramic material.
  • the plate substrate and thus the heat transfer plate can have any desired shapes and dimensions, so that in particular an overall height and a total width of the plate substrate and thus of the heat transfer plate according to the invention are not limited.
  • a minimum channel depth can be predetermined, e.g. also in the range of about 0.2 mm in so-called micro-heat exchangers or micro-heat exchangers.
  • a deflection of the heat transfer medium or fluids can be realized, e.g. also in the sense of a plate heat exchanger with multiple passage and / or with multiple deflection of the heat transfer fluid or fluids.
  • the plate substrate may be formed with or from a sintered silicon carbide material or SSiC material. This choice of material has the particular advantage of further mechanical stabilization and increased chemical inertness.
  • It may be a minimum layer thickness Dmin and / or a mean layer thickness Dm of the disc substrate in the range of about 2 mm to about 4 mm, in particular about 3 mm or less, preferably about 2 mm. Due to the formed channel webs, it is possible to reduce the layer thicknesses of the heat transfer plates accordingly, without causing mechanical destabilization. Without the mechanical stabilization by providing the corresponding webs of the flow channels much higher layer thicknesses for stabilization of the heat exchanger plates would be necessary if they were made of ceramic materials. This would result in a weight and volume increase, so that with the same heat transfer larger equipment needed and higher costs would be the result.
  • the layer thickness Ds of the plate substrate may be greater than the minimum layer thickness Dmin of the plate substrate in the region of a channel web and / or as the average layer thickness Dm of the disk substrate, such that the relationship
  • a local width Bb of the bottom of the channel groove of the flow channel and the local width Bsb of a base of the channel web of the flow channel at the level of the bottom of the channel channel of the flow channel - each measured perpendicular to the local course direction of the channel - can have a ratio Bb: Bsb of approximately 1: 4, so that's about the relationship
  • the local width Bb of the bottom of the channel channels of the flow channel and the local width Bsp of a plateau of a channel web of a flow channel on the side facing away from the bottom of the channel channel of the flow channel - each measured perpendicular to the local course direction of the flow channel - a ratio Bb: Bsp in the range of have about 1 0: 3, so about the relationship
  • the local width Bsb of the base of the channel web of the flow channel at the level of the bottom of the channel channel of the flow channel and the local width Bsp of the plateau of the channel web of the flow channel on the side remote from the bottom of the channel channel of the flow channel - each measured perpendicular to the local direction of the flow channel have a ratio Bsb: Bsp in the range of about 1: 1 to about 4: 2, preferably about 4: 3, so that about the relationship
  • the channel walls of a flow channel with the normal to the bottom of the channel groove of the flow channel include an angle ⁇ which is in the range of more than 0 ° and less than 30 °, preferably about 1 5 °, so that about the relationship
  • the local width Bb of the bottom of the channel channel of the flow channel - measured perpendicular to the local direction of the flow channel - and the depth t of the channel channel of the flow channel - measured perpendicular to the bottom of the channel channel of the flow channel - a ratio Bb: t in the range of about 10: 1 0th to about 10: 4, preferably about 10: 4, so that about the relationship
  • the sheet substrate may be provided with top and bottom penetrating supply and discharge ports for supplying a first heat transfer fluid F1 to and from the top of the disk substrate, the flow channel assembly configured to transport the first heat transfer fluid F1 from the supply port to the discharge port ,
  • Flow channels of the flow channel arrangement can have completely or in sections a multiple undulated course.
  • the undulation direction U can run in a surface or plane defined by the plate substrate and / or perpendicular to the flow direction locally and / or in the middle defined by the respective flow channel.
  • the shape of the undulation of a respective flow channel may be one of a group of shapes including sawtooth shapes, alternating step shapes, waveforms, sine shapes, and combinations thereof.
  • a second flow channel arrangement for a second heat transfer fluid F2 having a plurality of corresponding flow channels.
  • the plate substrate may be provided with top and bottom penetrating second supply and discharge ports for supplying the second heat transfer fluid F2 to and from the back or bottom of the disc substrate, and the second flow channel assembly for transporting the second heat transfer fluid F2 from the second Feed opening is formed to the second discharge opening.
  • the heat exchanger plate according to the invention may be rotationally symmetrical with respect to the front or top side and the back or bottom side by 180 ° with respect to an axis of symmetry S. extending in the plate substrate.
  • the plate substrate may have a substantially rectangular shape.
  • supply and / or discharge openings can be formed in the area at opposite first, preferably shorter, sides of the rectangular shape, in particular in regions of the corners.
  • first and / or second heat transfer fluids F1, F2 and / or main directions of flow of flow channels can be essentially along the extension directions of opposite second - preferably longer - sides of the rectangular shape may be formed.
  • a plate heat exchanger as such having a plurality of heat transfer plates according to the invention, the heat transfer plates being constructed and arranged so that the back or bottom of the plate substrate is a respective preceding heat transfer plate.
  • a method of manufacturing a heat transfer plate for a plate heat exchanger comprising the steps of providing or forming a plate substrate with or made of a ceramic, SiC material or a silicon carbide material having a front or top surface and a return or terseite, forming a flow channel arrangement having a plurality of flow channels on the front or top of the disk substrate, wherein a part or all of the flow channels of the flow channel arrangement are formed completely or in sections with channel channels defining channel walls forming channel webs.
  • the plate substrate may be formed with or from a sintered silicon carbide material or SSiC material.
  • Flow channels of the flow channel arrangement can be formed completely or in sections with a multiple undulated course.
  • the undulation direction U can be formed to extend in a surface or plane defined by the plate substrate and / or perpendicular to the flow direction locally or in the middle defined flow direction.
  • the shape of the undulation may be a shape of the group of shapes including sawtooth shapes, alternating step shapes, waveforms, sine shapes, and combinations thereof.
  • Fig. 1A is a schematic plan view of the front side of an embodiment of the heat exchanger plate according to the invention.
  • FIG. 1 B shows a schematic plan view of the back side of FIG. 1 illustrated embodiment of the heat exchanger plate according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 another embodiment of the heat exchanger plate according to the invention, in which the Hauptfl warekanäle have a different geometry.
  • Embodiments of inventive heat transfer plates which are similar to those of FIGS. 1 A and 2A are constructed, but wherein the channel webs of the feed channels have a different geometry.
  • the present invention also relates to a plate heat exchanger 100 or plate heat exchanger 100 with a plurality of heat exchanger plates 1 according to the invention.
  • ceramic materials for the design of the heat exchanger plates 1 according to the invention are provided.
  • channel webs 20s which inherently stabilize the structure of the heat exchanger plate 1 made of a ceramic material and in particular of a SiC or SSiC material, and in particular also by supporting an arrangement of a plurality of inventive heat exchanger plates 1 in a plate heat exchanger 1 00 serve each other.
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of a first embodiment of the heat exchanger plate 1 or heat exchanger plate 1 according to the invention.
  • This consists essentially of a plate substrate 1 0, which is also referred to simply as the substrate 1 0 for the heat exchanger plate 1 and with or at least one ceramic material 1 0 ', preferably a SiC material or Siliziumcarbidmaterial 1 0' and more preferably with or is formed of at least one sintered silicon carbide 1 0 'or SSiC material 1 0'.
  • the substrate 1 0 for the heat exchanger plate 1 has a plate structure with a front or top 1 0o and a back or bottom 1 0u; however, these may be particularly equal, especially with respect to a particular application, and they may also be structured in a similar or even identical manner.
  • a feed opening 2 for a first fluid F1 a discharge opening 3 for the first fluid F1
  • a feed opening 2 'for a second fluid F2 a discharge opening 3 for the second fluid F2.
  • All openings 2, 2 ', 3, 3' are formed at the edge or corner regions of the disk substrate 1 0.
  • the feed opening 2 for the first fluid F1 is shown in the view of FIG. 1 A formed in the upper, left corner.
  • the discharge opening 3 for the first fluid F1 is formed in the lower left corner. However, it may also be the discharge opening 3 for the first fluid F1 of the feed opening 2 for the first fluid F1 are formed diagonally opposite one another, ie in the in FIG. 1 A given view in the lower right corner.
  • the supply opening 2 'for the second fluid F2 is formed in the region of the upper, right-hand corner, while the discharge opening 3' for the second fluid F2 is formed in the region of the lower, right-hand corner.
  • the discharge opening 3 'for the second fluid may also be formed diagonally opposite the feed opening 2' for the second fluid, that is to say in the embodiment shown in FIG. 1 A view in the lower left corner.
  • the respective supply openings and discharge openings for a respective fluid are in relation to the longitudinal orientation of the disk substrate 1 0 each opposite. In the in Fig. Moreover, they are both arranged on the left side or on the right side of the disk substrate 10 with respect to the short edge k, respectively.
  • the feed opening 2 and the discharge opening 3 for the first fluid are surrounded or framed on the upper side 10a of the disk substrate 10 by a main seal 6 for the front side 10o and for the first fluid F1, so that outside the main seal 6 for the upper side 1 0o the supply port 2 'and the discharge opening 3' for the second fluid F2 lie.
  • an arrangement 20 for flow channels 20k is provided next to the feed opening 2 and the discharge opening 3 for the first fluid F1, which is also referred to as channel arrangement 20 or flow channel arrangement 20.
  • the plurality of flow channels 20k provided in this channel arrangement 20 extend on the surface or upper side 10o of the substrate 10, namely, the individual channels 20k in a plurality of reliefs on the upper side 10o of the plate substrate 10 within the main seal 6 for the upper side 10o form.
  • the channels 20k extend substantially between the feed opening 2 and the discharge opening 3 for the first fluid F1.
  • the entire channel assembly 20 is divided into a main channel assembly 21 or main heat transfer channel assembly 21, which is located in the middle between the supply port 2 and the discharge opening 3 for the first fluid and a little spaced therefrom and of main channels 21 k or main heat transfer channels 21 k is formed.
  • a feed or distribution channel arrangement 22 Directly adjacent to the feed opening 2 and to the discharge opening 3 for the first fluid F1 and directly connected to and / or adjacent to the main channel arrangement 21 are a feed or distribution channel arrangement 22 with distribution channels 22k or distribution channels 22k or a bundling, merging or discharge channel arrangement 23 with a plurality of bundling, merging, or discharge channels 23k.
  • Inn operation is supplied via the supply port 2, the first fluid F1 and practically introduced to the top 10 of the disk substrate 1 0 and distributed there. The distribution is taken over by the distribution channels 22k of the feed and distribution channel arrangement 22 adjoining the feed opening 2 for the first fluid F1.
  • the distribution channels 22k of the supply and distribution channel arrangement 22 transfer the first fluid F1 into the main channels 21k or main heat transfer channels 21k of the main channel arrangement 21 or main heat transfer channel arrangement 21.
  • the main channels 21 k and the main channel arrangement 21 are formed comparatively longer than the supply and distribution channel arrangement 22, so that there is a longer residence time of flowing in the channels 20 k first fluid F1 and thus sets a stronger heat transfer to the plate substrate 1 0.
  • the main channels 21 k then lead into the so-called bundling channels 23 k, which can also be referred to as discharge channels 23 k or 23k merging channels and receive the first fluid F1 from the main channels 21 k and the discharge opening 3 for the first fluid F1 supply, through which then the first fluid F1 after flowing through the channels 20k of the entire channel assembly 20, starting from the feed opening 2 for the first fluid F1, the channel assembly 20 and thus the top 10o of the substrate 1 0 leaves the heat exchanger plate 1 according to the invention again.
  • bundling channels 23 k which can also be referred to as discharge channels 23 k or 23k merging channels and receive the first fluid F1 from the main channels 21 k and the discharge opening 3 for the first fluid F1 supply, through which then the first fluid F1 after flowing through the channels 20k of the entire channel assembly 20, starting from the feed opening 2 for the first fluid F1, the channel assembly 20 and thus the top 10o of the substrate 1 0 leaves the heat exchanger plate 1 according to the invention again.
  • the first fluid F1 when flowing from the feed opening 2 to the discharge opening 3, reaches the outside area outside the main seal 6 and thus the areas of the feed opening 2 'and the discharge opening 3' for the first second fl uid F2 not.
  • the feed opening 2 'and the discharge opening 3' for the second fluid on first and two side seals 4-1 and 4-2, which the feed opening 2 'and the discharge opening 3' for the second fluid F2 for themselves once again by closing the feed opening 2 'and the lead opening 3 'for the second fluid F2 in the edge region surrounded from the outside.
  • the feed opening 2 and the discharge opening 3 for the first fluid F1 and the feed opening 2 'and the discharge opening 3' for the second fluid F2 are fluidly separated from each other or isolated, so that the first and the second fluid F1 or Do not mix F2 on top 1 0o of the plate substrate 1 0.
  • the main channel arrangement 21 or main heat transfer channel arrangement 21 with its main channels 21 k or main heat transfer channels 21 k forms the main heat transfer area or main heat exchange area 9 on the upper side 10o of the plate substrate 10 or of the first fluid F1 of the heat transfer plate 1 according to the invention.
  • the discharge opening 3 for the first fluid F1 and the bundling and discharge channel arrangement with their bundling channels 23k, merging channels 23k or discharge channels 23k form the so-called bundling and discharge region 8 for the front side 10o of the plate substrate 10 of the heat transfer plate according to the invention 1 or the first fluid.
  • the arrangement shown in plan view of FIG. 1 A is strictly axisymmetric with respect to the indicated symmetry axis x.
  • the symmetry axis y which is also drawn, at least the feed opening 2 for the first fluid F1 and the discharge opening 3 'for the second fluid F2 on the one hand and the discharge opening 3 for the first fluid F1 and the supply opening 2' for the second fluid F2 are strictly axially symmetrical arranged.
  • the outer shape of the substrate 10 is strictly axially symmetrical with respect to both axes x and y and has substantially the shape of one in the length drawn rectangles with rounded corners and an aspect ratio for the long edge I and the short edge k in the range of about 2: 1.
  • the feed channels 22k or distribution channels 22k directly transition into the main channels 21k in a 1-to-1 arrangement or assignment, and these in turn in a 1-to-1 arrangement into the trunking channels 23k or discharge channels 23k.
  • the channel cavities 20r or channel grooves 20r are shown white or light, whereas the channel lands 20s forming the channel walls 20w are shown in black or dark.
  • the channels 20k in total are in the arrangement of FIG. 1 A thus formed by a respective feed channel 22k, a directly associated main channel 21k and a directly associated discharge channel 23k.
  • the main channels 21 k here have the shape of a sawtooth or a zigzag line with triangular basic pattern. However, other embodiments are also conceivable.
  • the mechanical stability of the sheet-like substrate 1 0, which is formed in a planar manner, is stabilized per se by the sequence of depression or groove 20r and web 20s per se.
  • the Fig. 1B shows from the direction of view from the upper side 110o of the substrate 110 from the arrangement of FIG. 1 A from - quasi in review - the structure of the back 1 0u or bottom 10u of the same substrate 1 0. All structures are therefore shown dotted or dashed lines.
  • the arrangement of the here provided main seal 6 'for the second fluid F2 for the back 1 0u and the first and second side seals 4-1' and 4-2 'for the supply port 2 and for the discharge opening 3 for the first fluid F1 in relation on the back 10u is strictly axis or mirror symmetry to the axis of symmetry x and appears in comparison to the in Fig. 1 A shown corresponding arrangement with respect to the main seal 6 for the first fluid F1 and the secondary seals 4-1 and 4-2 for the second fluid with respect to the front 1 0o to the symmetry axis y strictly axis or mirror symmetry.
  • the main seal 6 surrounds the supply port 2' and the second fluid discharge port 3 ', fluidically outwardly separates the supply port 2 and the first fluid discharge port 3 with the corresponding first and second side seals 4-1' and 4-2 'and has in its interior the channel arrangement 20' or flow channel arrangement 20 'for the second fluid F2 on the back 1 0u of the plate substrate 1 0 of the heat exchanger plate 1 according to the invention.
  • FIG. 1B for the rear side 10u or lower side 10u of the disk substrate 10 essentially the one for the front side 10o of the disk substrate 10, which is shown in FIG. 1 A is shown.
  • a supply portion 7 'or distribution portion 7', a bundling portion 8 'or discharge portion 8' and a main heat transfer portion 9 'or main heat exchange portion 9' are formed for the back 10u or second fluid F2 by cooperation of the supply port 2 'for the second fluid F2 and the supply channel arrangement 22 'or distribution channel arrangement 22' with the supply channels 22k 'or distribution channels 22k' for the second fluid F2, through the main channel arrangement 21 'or main heat transfer channel arrangement 21' with the main channels 21k 'or main heat transfer channels 21k' for the second fluid F2 or by cooperation of the discharge opening 3 'for the second fluid F2 with the bundling channel arrangement 23',
  • Reca supply portion 7 'or distribution portion 7', a bundling portion 8 'or discharge portion 8' and a main heat transfer portion 9 'or main heat exchange portion 9' are formed for the back 10u or second fluid F2 by cooperation of the supply port 2 'for the second fluid F2 and the supply channel arrangement 22 'or distribution channel arrangement
  • FIGS. 2A and 2B arrangements correspond to those of FIGS. 1 A and 1 B, except that in Figs. 1 A and 1 B the main channels 21 k for the first fluid F1 and 21 k 'for the second fluid F2 and the respective webs 20s, 20s' have a sawtooth shape or a zigzag shape, whereas in the embodiment according to FIGS. 2A and 2B is a waveform, in particular in the manner of a sinusoidal course.
  • the undulation itself leads in each case to a longer dwell time of the fluid F1, F2 flowing or flowing in the channel 20k, 20k 'and thus to a more intimate heat exchange with the material 10' of the substrate 10.
  • FIGS. 3 and 4 show plan views of upper sides 10o of substrates 10 of two other embodiments for the heat exchanger plate 1 according to the invention.
  • the main channels 21k, 21k 'of the channels 20k, 20k' essentially correspond in their structure to the channels of the arrangements of FIGS. 1A, B on the one hand and FIGS. 2A, B on the other hand, ie. they have a sawtooth, a waveform.
  • FIG. 3 and 4 In contrast to the arrangements of FIG. 1A to 2B show the arrangements of FIG. 3 and 4 supply channels 22k, 22k 'and discharge channels 23k, 23k', which are no longer in 1-to-1 correspondence with the main channels 21k, 21k '. Rather, here are the channel webs 20s, 20s' - in particular 22s, 22s', 23s, 23s' - formed greatly widened, so that a total of the number of feed channels 22k, 22k 'and the discharge channels 23k, 23k' is less than the number of main channels 21 k, 21 k '.
  • FIGS. 5 and 6 show partial sectional views through a substrate 10 of two embodiments of the heat exchanger plate 1 according to the invention, namely, when the arrangements of FIGS. 1 A to 4 - viewed in the direction Y
  • the respective channel groove 20r, 20r 'and the respective channel web 20s, 20s' of the respective channel 20k, 20k' have approximately a rectangular or square shape and are substantially equal to one another.
  • the webs or channel webs 20s, 20s ' having a height which forms the depth t of the channel channel 20r, 20r', which corresponds to the width Bb of the bottom 20b, 20b 'the channel groove 20r of the flow channel 20k, 20k' but also the width Bsb of the channel web 20s, 20s 'at the level of the bottom 20b, 20b' and also the local width Bsp of the plateau 20sp, 20sp 'of the web 20s, 20s' corresponds.
  • the channel walls 20W, 20W' are formed vertically.
  • the base of the channel web 20s, 20s' and the plateaus 20sp, 20sp 'of the channel webs 20s, 20s' such chosen that the channel webs 20s, 20s' to the channel bottom 20b, 20b 'side facing away from a tapered course results, wherein the inclination angle ⁇ of the respective channel wall 20w, 20w' is different from 0 °, it is therefore: Bsb> Ex.
  • the arrows indicate the flow conditions with respect to the outward and return flow, that is to say from inflow and outflow.
  • the respective seals 6, 4-1, 4-2 and the various channel arrangements 20, 20 ' are not indicated in this illustration.
  • FIGS. 8A to 8D show, in sectional side and plan views, the schematic arrangement shown in the arrangement 100 'of FIG. 7 present flow conditions with respect to the first and second fluids F1 and F2.
  • first and second secondary seals 4-1, 4-2, 4-1 ', 4-2' for the first and second fluids F1, F2 are shown.
  • FIG. 8A to 8D are not to scale here because the main seals 6, 6 'and the side seals 4-1, 4-2, 4-1', 4-2 'are designed too strong in strength; However, this serves to clarify the geometric and flow conditions.
  • Fig. 10A and 10B describe another embodiment of the heat exchanger plate 1 according to the invention with or consisting of a ceramic substrate 10.
  • the heat exchanger plate 1 also has a substantially rectangular configuration, but with an edge ratio of the long and short edges I and k of about 4: 1. Otherwise, in connection with FIGS. 2A, 2B and 4 and 6 described before. That is, the actual main heat transfer channels 21k, 21k 'are approximately undulating, with no 1-to-1 correspondence or allocation between the supply and discharge channels 22k, 22k', 23k, 23k 'on the one hand and the main heat transfer channels 21 k, 21 k 'is present and that the webs 20s, 20s' - in particular 22s, 22s ', 23s, 23s' - the underlying flow channels 20k, 20k 'in cross-section have a trapezoidal shape, with the respective channel bottom 20b, 20b' facing away from tapering Course.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragerplatte (1), deren Herstellung sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte (1) in einem Plattenwärmeübertrager (100). Ein vorgesehenes Plattensubstrat (10) wird zumindest auf seiner Oberseite (10o) mit einer eine Mehrzahl von Fließkanälen (20k) aufweisenden Fließkanalanordnung (20) ausgebildet, wobei ein Teil oder sämtliche der Fließkanäle (20k) vollständig oder abschnittsweise Kanalstäbe (20s) aufweisen, die Kanalwände (20w) bilden, welche eine Kanalrinne (20w) des jeweiligen Fließkanals (20k) begrenzen.

Description

Wärmeübertragerplatte, damit versehener Plattenwärmeübertrager und Verfahren zum Herstellen eines Plattenwärmeübertragers
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragerplatte, einen damit versehenen Plattenwärmeübertrager sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenwärmeübertragers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch einen Plattenwärmeübertrager mit keramischen Platten .
H INTERGRUN D DER ERFINDU NG
Bei Wärmeübertragern oder Wärmetauschern zum Übertragen von Wärmemenge zwischen zwei Fluiden oder gasförmigen Medien, die nicht miteinander in Kontakt geraten und durchmischt werden dürfen, werden oft so genannte Plattenwärmeübertrager oder Plattenwärmetauscher verwendet, bei welchen der Bereich zum Übertragen der Wärme zwischen den beiden Medien gebildet wird von einer stapeiförmigen Anordnung so genannter Wärmeübertragerplatten oder Wärmetauscherplatten, die nach Art eines Pakets aneinander oder übereinander liegen, wobei direkt benachbarte Wärmeübertragerplatten zwischen sich einen Strömungsraum bilden, direkt zueinander benachbarte Strömungsräume voneinander strömungsmäßig getrennt und jeweils einem der beiden Medien zugeordnet sind . Dabei werden also ungeradzahlig aufeinander folgende Strömungsräume im Stapel oder Paket von einem ersten Medium und geradzahlig aufeinander folgende Strömungsräume im Stapel oder Paket von einem zweiten Medium durchströmt, ohne dass es zu einer Durchmischung kommt. Der Wärmeübertrag erfolgt dabei über die jeweils die Strömungsräume begrenzenden und trennenden Wärmeübertragerplatten, die somit als Begrenzungswände der Strömungsräume dienen und gegeneinander durch Vorsehen entsprechender Dichtungen abgedichtet sind. Bekannte Wärmeübertragerplatten werden z.B. metallisch ausgebildet, so dass ihre Anordnung aus einer Mehrzahl von Wärmeübertragerplatten geschweißt oder gelötet werden kann, so dass die Lotnaht oder Schweißnaht gleichzeitig auch als Dichtung fungiert.
Aufgrund der Herstellungskosten, ihres Gewichts und ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften sind metallische Wärmetauscherplatten manchmal nicht von Vorteil .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDU NG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager, einen Plattenwärmeübertrager selbst sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte anzugeben, bei welchem mit besonders hoher Zuverlässigkeit und mechanischer Stabil ität auf besonders wirkungsvolle Art und Weise eine Wärmeübertragung realisiert werden kann .
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einer Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 , bei einem Plattenwärmeübertrager erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 7 und bei einem Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht also darin, anstelle eines übl icherweise vorgesehenen metallischen Materials ein keramisches Material und insbesondere ein SiC-Material oder ein Siliziumcarbidmaterial als Material für die Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager vorzusehen . Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer derartigen Materialwahl die mechanische Stabilität der Wärmeübertragerplatte dadurch zu gewährleisten, dass ein Teil oder sämtliche der vorgesehenen Fließkanäle der Fließkanalanordnung teilweise oder vollständig Kanalstege aufweisen, die vollständig oder abschnittsweise Kanalrinnen begrenzende Kanalwände bilden . Diese Kanalstege stabilisieren die Fließkanäle der Fließkanalanordnung und damit das Plattensubstrat als Ganzes in mechanischer Art und Weise, insbesondere dann, wenn sie in Verwendung und beim Einbau in einem Plattenwärmeübertrager mit anderen Wärmeübertragerplatten zusammenwirken und ein Abstützen einer gegebenen Wärmeübertragerplatte an einer direkt benachbarten Wärmeübertragerplatte in im Wesentlichen flächiger Art und Weise ermöglichen, so dass durch die fließenden Medien aufgeprägte Drucke nicht zu Plattenbrüchen in dem zugrunde liegenden keramischen Material führen können .
Folgende Aspekte, die erfindungsgemäße realisierbar sind, seien herausgestellt:
Das Plattensubstrat und somit die Wärmeübertragerplatte können beliebige, also auch gängige Formen und Maße aufweisen, so dass insbesondere eine Gesamthöhe und eine Gesamtbreite des Plattensubstrats und somit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte nicht beschränkt sind .
In Bezug auf vorzusehende Fließkanäle kann bei den erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten je nach Anwendungsgebiet eine minimale Kanaltiefe vorgegeben werden, z.B. auch im Bereich von etwa 0,2 mm bei so genannten Mikrowärmeübertragern oder Mikrowärmetauschern.
Bei der Anwendung erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten bei einem Plattenwärmeübertrager kann eine Anordnung mit Dichtungen verwendet werden. Dies ist jedoch nicht zwingend, weil die gegenseitige Abdichtung auch allein durch direktes Aufeinanderliegen direkt benachbarter Wärmeü- bertragerplatten erfolgen kann, wobei sich die Wärmeübertragerplatten dabei gegenseitig abstützen, nämlich z.B. indem sich aufeinander folgend Plattenrückseiten und Plattenvorderseiten im Stapel berühren . Dabei können sich Stege auf Stegen abstützen, Rückseiten auf Stegen usw.
Durch die geometrische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte und ihrer Fließkanäle sowie durch die Anordnung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten in einem Plattenwärmeübertrager ist eine Umlenkung des oder der Wärmeübertragungsmedien oder -fluide realisierbar, z.B. auch im Sinne eines Plattenwärmeübertragers mit mehrfachem Durchgang und/oder mit mehrfacher Umlenkung des oder der Wärmeübertragungsfluide.
Das Plattensubstrat kann mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmate- rial oder SSiC-Material ausgebildet sein . Diese Materialwahl hat den besonderen Vorteil der weiteren mechanischen Stabilisierung und gesteigerten chemischen Inertheit.
Es kann eine minimale Schichtstärke Dmin und/oder eine mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 4 mm liegen, insbesondere bei etwa 3 mm oder darunter, vorzugsweise bei etwa 2 mm. Aufgrund der ausgebildeten Kanalstege ist es mögl ich, die Schichtstärken der Wärmeübertragerplatten entsprechend zu reduzieren, ohne dass es zu einer mechanischen Destabilisierung kommt. Ohne die mechanische Stabilisierung durch Vorsehen der entsprechenden Stege der Fließkanäle wären weitaus höhere Schichtstärken zur Stabil isierung der Wärmeübertragerplatten nötig, sofern diese aus keramischen Materialien gefertigt würden . Dies hätte eine Gewichts- und Volumensteigerung zur Folge, so dass bei gleichem Wärmeübertrag größere Apparaturen nötig und höhere Kosten die Folge wären .
Die Schichtstärke Ds des Plattensubstrats kann im Bereich eines Kanalstegs größer sein als die minimale Schichtstärke Dmin des Plattensubstrats und/oder als die mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats, so dass etwa die Beziehung
Ds > Dmin bzw. etwa die Beziehung
Ds > Dm erfüllt ist.
Eine lokale Breite Bb des Bodens der Kanalrinne des Fließkanals und die lokale Breite Bsb einer Basis des Kanalstegs des Fließkanals auf der Höhe des Bodens der Kanalrinne des Fl ießkanals - jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fl ießkanals - kann ein Verhältnis Bb:Bsb von etwa 1 :4 aufweisen, so dass etwa die Beziehung
Bb : Bsb = 10 : 4 erfüllt ist.
Die lokale Breite Bb des Bodens der Kanalrinnen des Fließkanals und die lokale Breite Bsp eines Plateaus eines Kanalstegs eines Fließkanals auf der dem Boden der Kanalrinne des Fließkanals abgewandten Seite - jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals - kann ein Verhältnis Bb:Bsp im Bereich von etwa 1 0:3 aufweisen, so dass etwa die Beziehung
10 : 4 < Bb : Bsp < 10 : 2 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung Bb : Bsp = 10 : 3 erfüllt ist.
Die lokale Breite Bsb der Basis des Kanalstegs des Fließkanals auf der Höhe des Bodens der Kanalrinne des Fl ießkanals und die lokale Breite Bsp des Plateaus des Kanalstegs des Fließkanals auf der den Boden der Kanalrinne des Fließkanals abgewandten Seite - jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals - ein Verhältnis Bsb:Bsp im Bereich von etwa 1 : 1 bis etwa 4:2, vorzugsweise von etwa 4:3 aufweisen, so dass etwa die Beziehung
4 : 2 < Bsb : Bsp < 1 : 1 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung
Bsb : Bsp = 4 : 3
erfüllt ist.
Die Kanalwände eines Fließkanals mit der Normalen zum Boden der Kanalrinne des Fließkanals einen Winkel α einschließen, der im Bereich von mehr als 0° und weniger als 30°, vorzugsweise bei etwa 1 5° liegt, so dass etwa die Beziehung
0° < a < 30° bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung a = 15°
erfüllt ist. Die lokale Breite Bb des Bodens der Kanalrinne des Fließkanals - gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals - und die Tiefe t der Kanalrinne des Fließkanals - gemessen senkrecht zum Boden der Kanalrinne des Fließkanals - ein Verhältnis Bb:t im Bereich von etwa 10: 1 0 bis etwa 1 0:4, vorzugsweise etwa 1 0:4 aufweisen, so dass etwa die Beziehung
10 : 10 < Bb : t < 10 : 4 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung
Bb : t = 10 : 4 erfüllt ist.
Die zuletzt beschriebenen Maßnahmen realisieren verschiedene geometrische Anordnungen bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte hinsichtl ich der Kanalgeometrie in Bezug auf die Plattenstärke, wodurch besonders günstige mechanische Eigenschaften bei vergleichsweise geringem Volumen und/oder Gewicht erreicht werden.
Es können das Plattensubstrat von der Oberseite zur Unterseite durchdringende Zuführ- und Abführöffnungen zum Zuführen bzw. Abführen eines ersten Wärmeübertragungsfluids F1 zu bzw. von der Oberseite des Plattensubstrats vorgesehen sein, wobei die Fließkanalanordnung zum Transport des ersten Wärmeübertragungsfluids F1 von der Zuführöffnung zur Abführöffnung ausgebildet ist.
Fließkanäle der Fließkanalanordnung können vollständig oder abschnittsweise einen mehrfach undulierten Verlauf aufweisen. Die Undulationsrichtung U kann in einer vom Plattensubstrat definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom jeweiligen Fließkanal lokal und/oder im Mittel definierten Fließrichtung verlaufen .
Die Form der Undulation eines jeweiligen Fließkanals kann eine Form aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen . auf der Rück- oder Unterseite des Plattensubstrats kann eine zweite Fließkanalanordnung für ein zweites Wärmeübertragungsfluid F2 mit einer Mehrzahl von entsprechenden Fließkanälen ausgebildet sein .
Das Plattensubstrat kann von der Oberseite zur Unterseite durchdringende zweite Zuführ- und Abführöffnungen zum Zuführen bzw. Abführen des zweiten Wärmeübertragungsfluids F2 zu bzw. von der Rück- oder Unterseite des Plattensubstrats vorgesehen sind und wobei die zweite Fließkanalanordnung zum Transport des zweiten Wärmeübertragungsfluids F2 von der zweiten Zuführöffnung zur zweiten Abführöffnung ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte kann in Bezug auf die Vorderoder Oberseite und die Rück- oder Unterseite um 180° rotationssymmetrisch ausgebildet sein bezüglich einer im Plattensubstrat verlaufenden Symmetrieachse S.
Das Plattensubstrat kann im Wesentlichen eine Rechteckform besitzen .
Dabei können Zuführ- und/oder Abführöffnungen im Bereich an gegenüberl iegenden ersten - vorzugsweise kürzeren - Seiten der Rechteckform ausgebildet sein, insbesondere in Bereichen der Ecken .
Die Fließrichtungen erster und/oder zweiter Wärmeübertragungsfluide F1 , F2 und/oder Haupterstreckungsrichtungen von Fließkanälen können im Wesentli- chen entlang von Erstreckungsrichtungen gegenüberliegender zweiter - vorzugsweise längerer - Seiten der Rechteckform ausgebildet sein .
Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen werden verschiedene Strömungsgeometrien beim Zusammenwirken, d .h . beim stapelartigen oder paketartigen Aneinanderreihen einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatte, realisierbar.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Plattenwärmeübertrager als solcher geschaffen, mit einer Mehrzahl von n erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten, wobei die Wärmeübertragerplatten derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Rück- oder Unterseite des Plattensubstrats einer jeweils vorangehenden Wärmetübertragerplatte j = 1 , n-1 der Vorder- oder Oberseite des Plattensubstrats einer jeweils direkt nachfolgenden Wärmeübertragerplatte j+1 mit j = 1 , n-1 direkt gegenüberliegt und direkt oder insbesondere mit einer Dichtungsanordnung dazwischen an dieser anliegt, dass durch die Abfolge der Wärmeübertragerplatten j = 1 , n und/oder insbesondere durch die Ausbildung der Dichtungsanordnung voneinander direkt aufeinander folgender strömungsmäßig getrennte Durchströmungsräume R1 , Rn+1 ausgebildet sind oder werden, dass direkt benachbarte Durchströmungsräume Rj, Rj+1 , j = 1 , n paarweise strömungsmäßig getrennt sind, und dass jeweils übernächst benachbarte Durchströmungsräume Rj, Rj+2, j = 1 , n-1 paarweise strömungsmäßig verbunden, jeweils einem Wärmeübertragungsfluid F1 , F2 zugeordnet und zum Durchströmen von jeweils zugeordnetem Wärmeübertragungsfluid F1 , F2 von der jeweiligen Zuführöffnung zur jeweiligen Abführöffnung hin ausgebildet sind .
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager, und zwar mit den Schritten Bereitstellen oder Ausbilden eines Plattensubstrats mit oder aus einem keramischen, SiC-Material oder einem Sil izi- umcarbidmaterial mit einer Vorder- oder Oberseite und einer Rück- oder Un- terseite, Ausbilden einer Fließkanalanordnung mit einer Mehrzahl von Fließkanälen auf der Vorder- oder Oberseite des Plattensubstrats, wobei ein Teil oder sämtl iche der Fließkanäle der Fl ießkanalanordnung vollständig oder abschnittsweise mit Kanalrinnen begrenzende Kanalwände bildenden Kanalstegen ausgebildet werden .
Das Plattensubstrat kann mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmate- rial oder SSiC-Material ausgebildet werden .
Fließkanäle der Fl ießkanalanordnung können vollständig oder abschnittsweise mit einem mehrfach undulierten Verlauf ausgebildet werden.
Die Undulationsrichtung U kann in einer vom Plattensubstrat definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom Fließkanal lokal oder im Mittel definierten Fließrichtung verlaufend ausgebildet werden .
Die Form der Undulation kann eine Form sein aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen .
Diese und weitere Aspekte werden auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen erläutert.
KU RZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig . 1 A in schematischer Draufsicht die Vorderseite einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte.
Fig . 1 B zeigt in schematischer Draufsicht die Rückseite der in Fig . 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte. zeigen analog zu den Fig . 1 und 2 eine andere Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte, bei welcher die Hauptfl ießkanäle eine andere Geometrie besitzen . zeigen schematische Draufsichten auf die Vorderseite zweier
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten, die ähnlich zu den aus den Fig . 1 A und 2A aufgebaut sind, wobei jedoch die Kanalstege der Zuführkanäle eine dazu unterschiedliche Geometrie aufweisen . zeigen Querschnittsansichten erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten zur Veranschaulichung der Querschnitte der Kanalgeometrien . ist eine Explosionsdarstellung eines Stapels erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten, wie sie in einem Plattenwärmeübertrager vorgesehen sein können . zeigen schematische Seitenansichten des in Fig . 7 dargestellten Stapels oder Pakets erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten, wobei die Strömungsverhältnisse zweier vorgesehener Strömungsmedien veranschaulicht sind . zeigt eine schematische Seitenansicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers, welcher einen Stapel oder ein Paket erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten aufweist. zeigen in Draufsicht und in einer Querschnittsansicht in sche- matischer Art und Weise eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte. DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben . Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden .
Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnl iche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. N icht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen .
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch einen Plattenwärmeübertrager 100 oder Plattenwärmetauscher 1 00 mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 .
Dabei sind insbesondere monolithisch aufgebaute, keramische Werkstoffe zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten 1 vorgesehen .
Monol ithische, keramische Werkstoffe sind stark empfindlich gegenüber Biegebelastungen . Daher verbietet sich bisher ihr Einsatz zur Ausgestaltung von Wärmeübertragerplatten 1 bei Plattenwärmeübertragern 100 weitestgehend, da unterschiedliche Konstruktionskonzepte von Strömungskammern bei keramischen Wärmeübertragerplatten und insbesondere bei SSiC-Wärmeüber- tragerplatten 1 keine Abstützung über großflächige Bereiche der Wärmeübertragerplatten 1 aufweisen. Dies führt bisher aufgrund von Biegebelastungen, die durch die Innendruckbelastungen beim Beaufschlagen der jeweil igen Strömungskammern mit Flüssigkeitsdruck entstehen, zu Plattenbrüchen . Dem wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, dass die Fließkanäle 20k mit so genannten Kanalstegen 20s ausgebildet werden, die Kanalwände 20w bilden, die ihrerseits die Kanalrinnen 20r der Fließkanäle 20k der Fließkanalanordnung 20 vollständig oder abschnittsweise begrenzen.
Es sind gerade die Kanalstege 20s, welche die Struktur der Wärmeübertragerplatte 1 aus einem keramischen Material und insbesondere aus einem SiC- oder einem SSiC-Material inhärent stabilisieren und insbesondere auch dadurch, dass sie einem Abstützen einer Anordnung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 in einem Plattenwärmeübertrager 1 00 gegeneinander dienen .
Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen .
Fig . 1 zeigt in schematischer Draufsicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 oder Wärmetauscherplatte 1 .
Diese besteht im Wesentlichen aus einem Plattensubstrat 1 0, welches auch einfach als Substrat 1 0 für die Wärmeübertragerplatte 1 bezeichnet wird und mit oder aus mindestens einem keramischen Material 1 0', vorzugsweise einem SiC-Material oder Siliziumcarbidmaterial 1 0' und weiter vorzugsweise mit oder aus mindestens einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial 1 0' oder SSiC-Material 1 0' ausgebildet ist.
Das Substrat 1 0 für die Wärmeübertragerplatte 1 besitzt eine Plattenstruktur mit einer Vorderseite oder Oberseite 1 0o und einer Rückseite oder Unterseite 1 0u; diese können jedoch insbesondere gleichberechtigt sein, gerade im Hinblick auf eine jeweilige Anwendung, und sie können auch in ähnlicher Weise oder gar identisch strukturiert sein .
Nachfolgend wird zunächst die so genannte Vorderseite oder Oberseite 1 0o des Substrats der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 beschrieben . Vorgesehen sind zunächst eine Zuführöffnung 2 für ein erstes Fluid F1 , eine Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 , eine Zuführöffnung 2' für ein zweites Fluid F2 sowie eine Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2. Sämtliche Öffnungen 2, 2', 3, 3' sind an den Rand- oder Eckbereichen des Plattensubstrats 1 0 ausgebildet.
Die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 ist in der Ansicht der Fig . 1 A in der oberen, linken Ecke ausgebildet. Die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 ist in der linken unteren Ecke ausgebildet. Es kann jedoch auch die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 der Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 diagonal gegenüberliegend ausgebildet sein, also in der in Fig . 1 A gegebenen Ansicht in der unteren, rechten Ecke.
Bei der Ausführungsform der Fig . 1 A ist die Zufuhröffnung 2' für das zweite Fluid F2 im Bereich der oberen, rechten Ecke ausgebildet, wogegen die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 im Bereich der unteren, rechte Ecke ausgebildet ist. Jedoch kann die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid auch der Zuführöffnung 2' für das zweite Fluid diagonal gegenüberliegend ausgebildet sein, also in der in Fig . 1 A dargestellten Ansicht im Bereich der unteren, linken Ecke.
Die jeweiligen Zuführöffnungen und Abführöffnungen für ein jeweil iges Fluid liegen sich in Bezug auf die Längsausrichtung des Plattensubstrats 1 0 jeweils gegenüber. Bei der in Fig . 1 A dargestellten Anordnung sind sie darüber hinaus jeweils beide auf der l inken Seite oder auf der rechten Seite des Plattensubstrats 1 0 in Bezug auf die kurze Kante k angeordnet. Außerdem liegen sich die beiden Zuführöffnungen 2, 2' einerseits und die beiden Abführöffnungen 3, 3' andererseits in Bezug auf die Längskante I oder lange Kante I des Plattensubstrats 1 0 gegenüber, so dass insbesondere bei Kombination einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 0 in einem Plattenwärme- tauscher 1 00 ein Gegenstromverfahren real isiert wird; dies wird weiter unten noch weiter verdeutlicht.
Die Zuführöffnung 2 und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid werden auf der Oberseite 1 0a des Plattensubstrats 1 0 von einer Hauptdichtung 6 für die Vorderseite 1 0o und für das erste Fluid F1 umgeben oder umrahmt, so dass außerhalb der Hauptdichtung 6 für die Oberseite 1 0o die Zufuhröffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 liegen .
Innerhalb der Hauptdichtung 6 für die Vorderseite 1 0o ist neben der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 eine Anordnung 20 für Fließkanäle 20k vorgesehen, die auch als Kanalanordnung 20 oder Fließkanalanordnung 20 bezeichnet wird . Die bei dieser Kanalanordnung 20 vorgesehene Mehrzahl von Fließkanälen 20k erstreckt sich an der Oberfläche oder Oberseite 10o des Substrats 1 0, indem nämlich die einzelnen Kanäle 20k in einer Mehrzahl eine Art Relief auf der Oberseite 10o des Plattensubstrats 1 0 innerhalb der Hauptdichtung 6 für die Oberseite 10o bilden . Die Kanäle 20k erstrecken sich im Wesentlichen zwischen der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 .
Die gesamte Kanalanordnung 20 ist unterteilt in eine Hauptkanalanordnung 21 oder Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21 , die sich in der Mitte zwischen der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid und ein wenig von diesen beabstandet befindet und von Hauptkanälen 21 k oder Hauptwärmeübertragungskanälen 21 k gebildet wird . Direkt benachbart zur Zuführöffnung 2 und zur Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und mit der Hauptkanalanordnung 21 direkt verbunden und/oder an diese angrenzend sind eine Zuführ- oder Verteilungskanalanordnung 22 mit Verteilungskanälen 22k oder Verteilungskanälen 22k bzw. eine Bündelungs-, Zusammenführ- oder Abführkanalanordnung 23 mit einer Mehrzahl von Bündelungs-, Zusammenführ-, oder Abführkanälen 23k. Inn Betrieb wird über die Zuführöffnung 2 das erste Fluid F1 zugeführt und praktisch auf die Oberseite 1 0o des Plattensubstrats 1 0 eingeleitet und dort verteilt. Die Verteilung wird durch die Verteilungskanäle 22k der sich an die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 anschließenden Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22 übernommen .
Die Verteilungskanäle 22k der Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22 führen das erste Fluid F1 in die Hauptkanäle 21 k oder Hauptwärmeübertragungskanäle 21 k der Hauptkanalanordnung 21 oder Hauptwärmeübertragungska- nalanordnung 21 über. Die Hauptkanäle 21 k und die Hauptkanalanordnung 21 sind vergleichsweise länger ausgebildet als die Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22, so dass sich dort eine längere Verweildauer des in den Kanälen 20k strömenden ersten Fluids F1 ergibt und sich mithin ein stärkerer Wärmeübertrag an das Plattensubstrat 1 0 einstellt.
Die Hauptkanäle 21 k führen dann über in die so genannten Bündelungskanäle 23k, die auch als Abführkanäle 23k oder Zusammenführkanäle 23k bezeichnet werden können und die das erste Fluid F1 aus den Hauptkanälen 21 k aufnehmen und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 zuführen, durch welche dann das erste Fluid F1 nach Durchströmen der Kanäle 20k der gesamten Kanalanordnung 20, ausgehend von der Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 , die Kanalanordnung 20 und mithin die Oberseite 10o des Substrats 1 0 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 wieder verlässt.
Aufgrund der Hauptdichtung 6 für das erste Fluid F1 und für die Oberseite 1 0o erreicht das erste Fluid F1 beim Durchströmen von der Zuführöffnung 2 zur Abführöffnung 3 den Außenbereich außerhalb der Hauptdichtung 6 und mithin die Bereiche der Zuführöffnung 2' und der Abführöffnung 3' für das zweite Fl uid F2 nicht. Darüber hinaus weisen die Zuführöffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid erste und zweie Nebendichtungen 4-1 bzw. 4-2 auf, welche die Zuführöffnung 2' bzw. die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 für sich noch einmal abdichten, indem sie die Zuführöffnung 2' und die Ab- führöffnung 3' für das zweite Fluid F2 in deren Randbereich von außen umgeben . Insgesamt sind somit die Zuführöffnung 2 und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und die Zuführöffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 strömungsmäßig von einander getrennt oder isoliert ausgebildet, so dass sich das erste und das zweite Fluid F1 bzw. F2 auf der Oberseite 1 0o des Plattensubstrats 1 0 nicht mischen .
Die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 und die Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22 mit den Verteilungskanälen 22k oder Zuführkanälen 22k bilden zusammen den Zuführ- oder Verteilungsbereich 7 für die Vorderseite 10o des Substrats 1 0 oder für das erste Fluid F1 .
Die Hauptkanalanordnung 21 oder Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21 mit ihren Hauptkanälen 21 k oder Hauptwärmeübertragungskanälen 21 k bildet den Hauptwärmeübertragungsbereich oder Hauptwärmetauschbereich 9 auf der Oberseite 1 0o des Plattensubstrats 1 0 oder des ersten Fluids F1 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 .
Entsprechend bilden die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und die Bün- delungs- und Abführkanalanordnung mit ihren Bündelungskanälen 23k, Zusammenführkanälen 23k oder Abführkanälen 23k den so genanten Bünde- lungs- und Abführbereich 8 für die Vorderseite 1 0o des Plattensubstrats 1 0 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 oder das erste Fluid.
Die in Draufsicht gezeigte Anordnung gemäß Fig . 1 A ist bezüglich der eingezeichneten Symmetrieachse x strikt achsensymmetrisch . Hinsichtlich der e- benfalls eingezeichneten Symmetrieachse y sind zumindest die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 einerseits und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und die Zuführöffnung 2' für das zweite Fluid F2 strikt achsensymmetrisch angeordnet. Die äußere Gestalt des Substrats 1 0 ist bezüglich beider Achsen x und y strikt achsensymmetrisch angeordnet und besitzt im Wesentlichen die Form eines in die Länge gezogenen Rechtecks mit abgerundeten Ecken und einem Seitenverhältnis für die lange Kante I und die kurze Kante k im Bereich von etwa 2: 1 .
Bei der in Fig . 1 A dargestellten Anordnung gehen die Zuführkanäle 22k oder Verteilungskanäle 22k direkt in einer 1 -zu-1 -Anordnung oder -Zuordnung in die Hauptkanäle 21 k und diese wiederum in einer 1 -zu-1 -Anordnung in die Bündelungskanäle 23k oder Abführkanäle 23k über. In der Figur sind die Kanalhohlräume 20r oder Kanalrinnen 20r weiß oder hell dargestellt, wogegen die die Kanalwände 20w bildenden Kanalstege 20s schwarz oder dunkel dargestellt sind .
Die Kanäle 20k insgesamt werden bei der Anordnung der Fig . 1 A also gebildet von einem jeweiligen Zuführkanal 22k, einem direkt zugeordneten Hauptkanal 21 k und einem daran direkt zugeordneten Abführkanal 23k. Die Hauptkanäle 21 k haben hier die Form eines Sägezahns oder einer Zickzacklinie mit drei- ecksförmigem Grundmuster. Denkbar sind jedoch auch andere Ausführungsformen .
Maßgeblich ist bei der Anordnung aus Fig . 1 A, dass die Kanalanordnung 20 insgesamt und die Kanäle 20k im Speziellen mit so genannten Kanalstegen 20s, welche die Kanalwände 20w der Kanalrinne 20r formen, ausgebildet sind . Diese Kanalstege 20s führen zu der besonderen mechanischen Stabil ität, gerade in hydrodynamischer oder fluidodynamischer H insicht im Bereich der Zuführöffnungen 2 für das erste Fluid F1 .
Einerseits wird die mechanische Stabilität des an sich flächenartig ausgebildeten Plattensubstrats 1 0 durch die Abfolge von Vertiefung oder Rille 20r und Steg 20s an sich stabil isiert. Darüber hinaus ergibt sich aber im Zusammenwirken einer Mehrzahl von Plattensubstraten 1 0 von in einem Stapel angeordneten erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten 1 in einer Plattenwärmeübertrager 1 00 ein Effekt des sich gegenseitigen Abstützens direkt benachbarter Substrate 1 0 auf den Bereichen der Kanalstege 20s. Aufgrund dieser dop- pelten mechanischen Stabilisierung oder Verstärkung ist es möglich, erfindungsgemäß das an sich unter Biegebelastungen wenig stark belastbare keramische Substratmaterial 1 0' der Plattensubstrate 1 0 zu verwenden, insbesondere in der Form so genannter Sil iziumcarbidmaterial ien oder SiC-Ma- terialien und insbesondere in Form gesinterter Siliziumcarbidmaterial ien oder SSIC-Material ien, ohne dass eine Steigerung der Plattenstärke oder Schichtstärke DS des Plattensubstarts 1 0 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 nötig wäre, da durch die Stegstruktur, d .h. die Abfolge von Vertiefungen der durch die Rillen 20r der Kanäle 20k und der Stege 20s der Kanäle 20k und des gegenseitigen Abstützens durch Aufl iegen der Stege 20s der Kanäle 20k direkt im Plattenstapel benachbarter Wärmeübertragerplatten 1 eine höhere Versteifung und Stabilisierung gegeneinander erreicht werden, so dass auch beim Einleiten des ersten Fluids F1 durch die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 und die damit einhergehenden hohen Drucke die Biegebeanspruchung des Plattensubstrats 1 0 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 das mögliche Höchstmaß nicht überschreitet.
Die Fig . 1 B zeigt aus Bl ickrichtung von der Oberseite 1 0o des Substrats 1 0 aus der Anordnung der Fig . 1 A aus - quasi in Durchsicht - die Struktur der Rückseite 1 0u oder Unterseite 10u desselben Substrats 1 0. Sämtliche Strukturen sind daher gepunktet oder gestrichelt dargestellt.
Die Anordnung der hier vorgesehenen Hauptdichtung 6' für das zweite Fluid F2 für die Rückseite 1 0u sowie der ersten und zweiten Nebendichtungen 4-1 ' und 4-2' für die Zuführöffnung 2 bzw. für die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 in Bezug auf die Rückseite 10u ist zur Symmetrieachse x strikt achsen- oder spiegelsymmetrisch und erscheint im Vergleich zu der in Fig . 1 A dargestellten entsprechenden Anordnung bezüglich der Hauptdichtung 6 für das erste Fluid F1 und die Nebendichtungen 4-1 und 4-2 für das zweite Fluid in Bezug auf die Vorderseite 1 0o zur Symmetrieachse y strikt achsen- oder spiegelsymmetrisch . Hier umgibt die Hauptdichtung 6' die Zuführöffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2, trennt strömungsmäßig nach außen hin die Zuführöffnung 2 und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 mit den entsprechenden ersten und zweiten Nebendichtungen 4-1 ' und 4-2' und weist in ihrem Inneren die Kanalanordnung 20' oder Fließkanalanordnung 20' für das zweite Fluid F2 auf der Rückseite 1 0u des Plattensubstrats 1 0 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 auf.
Somit entspricht die in Fig . 1 B dargestellte Anordnung für die Rückseite 10u oder Unterseite 1 0u des Plattensubstrats 1 0 im Wesentlichen der für die Vorderseite 10o des Plattensubstrats 1 0, welche in der Fig . 1 A dargestellt ist.
Demgemäß werden ein Zuführbereich 7' oder Verteilungsbereich 7', ein Bündelungsbereich 8' oder Abführbereich 8' und dazwischen ein Hauptwärmeübertragungsbereich 9' oder Hauptwärmetauschbereich 9' für die Rückseite 1 0u oder das zweite Fluid F2 ausgebildet, und zwar durch Zusammenwirken der Zuführöffnung 2' für das zweite Fluid F2 und der Zuführkanalanordnung 22' oder Verteilungskanalanordnung 22' mit den Zuführkanälen 22k' oder Verteilungskanälen 22k' für das zweite Fluid F2, durch die Hauptkanalanordnung 21 ' oder Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21 ' mit den Hauptkanälen 21 k' oder Hauptwärmeübertragungskanälen 21 k' für das zweite Fluid F2 bzw. durch Zusammenwirken der Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 mit der Bündelungskanalanordnung 23', Zusammenführkanalanordnung 22' oder Abführkanalanordnung 23' mit dem Bündelungs-, Zusammenführ- oder Abführkanälen 23k' für das zweite Fluid F2 auf der Rückseite 1 0u des Plattensubstrats 1 0 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 .
Ansonsten gilt das für die Vorderseite 1 0o gemäß Fig . 1 A Gesagte in entsprechender Weise.
Die in den Fig . 2A und 2B dargestellten Anordnungen entsprechen denjenigen aus den Fig . 1 A und 1 B, außer dass in den Fig . 1 A und 1 B die Hauptkanäle 21 k für das erste Fluid F1 und 21 k' für das zweite Fluid F2 und die entsprechenden Stege 20s, 20s' eine Sägezahnform oder eine Zickzackform aufweisen, wogegen bei der Ausführungsform gemäß den Fig . 2A und 2B eine Wellenform vorliegt, insbesondere nach Art eines sinusförmigen Verlaufs.
Grundsätzl ich sind sämtliche Kanalformen denkbar, d.h . z.B. mit beliebiger lateraler, d .h . in der Ebene der Oberseite 1 0o oder der Unterseite 1 0u des Substrats 1 0 verlaufender Undulation mit Undulationsrichtung U in der XY- Ebene der Vorderseite 1 0o und/oder der Rückseite 1 0u des Plattensubstrats 1 0 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 .
Die Undulation selbst führt jeweils zu einer längeren Verweildauer des im Kanal 20k, 20k' fließenden oder strömenden Fluids F1 , F2 und somit zu einem innigeren Wärmeaustausch mit dem Material 1 0' des Substrats 1 0.
Die Fig . 3 und 4 zeigen Draufsichten auf Oberseiten 10o von Substraten 10 zweier anderer Ausführungsformen für die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1 . Dabei entsprechen die Hauptkanäle 21 k, 21 k' der Kanäle 20k, 20k' von ihrer Struktur her im Wesentlichen den Kanälen der Anordnungen der Fig. 1 A, B einerseits und 2A, B andererseits, d.h . sie besitzen eine Sägezahnbzw, eine Wellenform .
Im Gegensatz zu den Anordnungen der Fig . 1 A bis 2B weisen die Anordnungen der Fig . 3 und 4 Zuführkanäle 22k, 22k' und Abführkanäle 23k, 23k' auf, die nicht mehr in 1 -zu-1 -Korrespondenz mit den Hauptkanälen 21 k, 21 k' stehen . Vielmehr sind hier die Kanalstege 20s, 20s' - insbesondere 22s, 22s', 23s, 23s' - stark verbreitert ausgebildet, so dass insgesamt die Anzahl der Zuführkanäle 22k, 22k' und der Abführkanäle 23k, 23k' geringer ist als die Anzahl der Hauptkanäle 21 k, 21 k'. Aufgrund der Verbreiterung der Stege 20s, 20s' 22s, 22s', 23s, 23s' ist jedoch hier die mechanische Stabil ität im Bereich der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Medium - und entspre- chend für die Zuführöffnung 2' und 3' für das zweite Medium auf der Rückseite 1 0u - weiter gesteigert.
Die Fig . 5 und 6 zeigen geschnittene Teilansichten durch ein Substrat 1 0 zweier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 , und zwar - wenn man die Anordnungen der Fig . 1 A bis 4 zugrunde legt - in der Richtung Y betrachtet.
Aus den in Fig . 5 und 6 gezeigten Anordnung erkennt man die verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten des Querschnitts der Kanäle 20k, 20k', insbesondere der Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21 , 21 ', also der Hauptkanäle 21 k, 21 k'.
Bei der in Fig . 5 dargestellten Anordnung besitzen die jeweilige Kanalrinne 20r, 20r' und der jeweilige Kanalsteg 20s, 20s' des jeweiligen Kanals 20k, 20k' in etwa eine rechteckige oder quadratische Form und sind zueinander im Wesentlichen gleich ausgestaltet. Der jeweilige Kanalboden 20b, 20b' bildet dabei z.B. das N iveau der minimalen Schichtstärke Dmin des zugrunde liegenden Substrats 1 0. Darauf aufgesetzt sind die Stege oder Kanalstege 20s, 20s' mit einer Höhe, welche die Tiefe t der Kanalrinne 20r, 20r' bildet, welche der Breite Bb des Bodens 20b, 20b' der Kanalrinne 20r des Fließkanals 20k, 20k' aber auch der Breite Bsb des Kanalstegs 20s, 20s' auf der Höhe des Bodens 20b, 20b' und auch der lokalen Breite Bsp des Plateaus 20sp, 20sp' des Stegs 20s, 20s' entspricht.
Aufgrund der Geometrie der Kanäle 20I, 20k' sind die Kanalwände 20w, 20w' senkrecht ausgebildet. Die Basis des jeweil igen Kanalstegs 20s, 20s' und das Plateau 20sp, 20sp' des Kanalstegs 20s, 20s' sind in ihrer Breite gleich gewählt, es gilt Bsp = Bsb.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig . 6 sind dagegen die Basis des Kanalstegs 20s, 20s' und die Plateaus 20sp, 20sp' der Kanalstege 20s, 20s' derart gewählt, dass sich die Kanalstege 20s, 20s' zur vom Kanalboden 20b, 20b' hin abgewandten Seite ein verjüngender Verlauf ergibt, wobei der Neigungswinkel α der jeweiligen Kanalwand 20w, 20w' von 0° verschieden ist, es gilt mithin: Bsb > Bsp.
Die Fig . 7 zeigt in schematischer und perspektivischer Explosionsdarstellung eine Anordnung 1 00' für einen Plattenwärmeübertrager 1 00 mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1 , n, die einander deckend oder kongruent nach Art eines Stapels 1 1 0 angeordnet werden und alternierend Strömungsräume R1 , R3, R5, ... für das erste Fluid F1 bzw. R2, R4, R6, ... und das zweite Fluid F2 bilden . Angedeutet ist auch die Zuordnung der Zwischenräume oder Strömungsräume R1 , R2, R3, ... direkt benachbarter erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1 , n zu den entsprechenden ersten und zweiten Fluiden F1 , F2. Die Pfeile deuten die Strömungsverhältnisse bezüglich Hin- und Rückfluss, also von Ein- und Ausstrom an . Die jeweiligen Dichtungen 6, 4-1 , 4-2 und die verschiedenen Kanalanordnungen 20, 20' sind in dieser Darstellung nicht angegeben .
Die Fig . 8A bis 8D zeigen in geschnittenen Seiten- und Draufsichten in schematischer Art und Weise die in der Anordnung 1 00' der Fig . 7 vorliegenden Strömungsverhältnisse bezüglich der ersten und zweiten Fluide F1 und F2. Hierbei sind ausschließlich die ersten und zweiten Nebendichtungen 4-1 , 4-2, 4-1 ', 4-2' für die ersten und zweiten Fluide F1 , F2 dargestellt.
Aus den Angaben zu den Fig . 7 bis 8D ergibt sich, dass die Aneinanderreihung und Zusammenschaltung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1 , n eine Abfolge alternierender Strömungsräume für die ersten und zweiten Fluide F1 und F2 l iefert, wobei aufeinander folgende ungeradzahlige Zwischenräume R1 , R3, R5, ...zwischen direkt aufeinander folgenden Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1 , n Strömungsräume R1 , R3, R5, ... für das erste Fluid F1 und geradzahlige Zwischenräume R2, R4, R6, ... aufeinander folgender Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1 , n Strömungsräume R2, R4, R4, ... für das zweite Fluid F2 bilden .
Die Darstellungen der Fig . 8A bis 8D sind hier nicht maßstabsgetreu, da die Hauptdichtungen 6, 6' und die Nebendichtungen 4-1 , 4-2, 4-1 ', 4-2' in ihrer Stärke zu stark ausgelegt sind; dies dient jedoch der Verdeutl ichung der geometrischen und Strömungsverhältnisse.
Fig . 9 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine real istischere Darstellung der Anordnung 1 00' eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers 1 00 mit einer Mehrzahl zu einem Stapel 1 1 0 zusammen- gefasster erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j , j = 1 , n .
Dabei ist der Stapel 1 10 der Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1 , n zwischen zwei Spannplatten 120 oder Spanneinrichtungen 120 über eine entsprechende Verschraubung 1 30 eingespannt, so dass sich insgesamt im Zusammenwirken der einzelnen erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1 , n die in den vorangehenden Figuren beschriebenen Verhältnisse einstellen .
Die Fig . 1 0A und 1 0B beschreiben eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 mit oder aus einem keramischen Substrat 1 0.
Hier besitzt die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1 ebenfalls eine im Wesentlichen rechteckförmige Ausgestaltung, jedoch mit einem Kantenverhältnis der langen und der kurzen kanten I bzw. k von etwa 4: 1 . Ansonsten liegen die im Zusammenhang mit den Fig . 2A, 2B und 4 sowie 6 beschriebenen Verhältnisse vor. Das bedeutet, dass die eigentlichen Hauptwärmeübertragungskanäle 21 k, 21 k' in etwa wellenförmig ausgebildet sind, dass keine 1 -zu-1 - Korrespondenz oder -Zuordnung zwischen den Zuführ- und Abführkanälen 22k, 22k', 23k, 23k' einerseits und den Hauptwärmeübertragungskanälen 21 k, 21 k' vorliegt und dass die Stege 20s, 20s' - insbesondere also 22s, 22s', 23s, 23s' - der zugrunde l iegenden Strömungskanäle 20k, 20k' im Querschnitt eine Trapezgestalt besitzen, mit vom jeweiligen Kanalboden 20b, 20b' abgewandt verjüngendem Verlauf.
Bezugszeichenliste
1 erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte, Warnnetauscherplatte 1j erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte, Wärmetauscherplatte bei einer Anordnung einer Mehrzahl von j = 1 , n erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten, Wärmetauscherplatten
2 Zuführöffnung (erstes Fluid F1 )
2' Zuführöffnung (zweites Fluid F2)
3 Abführöffnung (erstes Fluid F1 )
3' Abführöffnung (zweites Fluid F2)
4-1 erste Nebendichtung (Vorderseite 1 0o / für Zuführöffnung zweites Fluid F2)
4-1 ' erste Nebendichtung (Rückseite 1 0u / für Zuführöffnung erstes
Fluid F1 )
4-2 zweite Nebendichtung (Vorderseite 1 0o / für Abführöffnung zweites Fluid F2)
4-2' zweite Nebendichtung (Rückseite 10u / für Abführöffnung erstes
Fluid F1 )
6 Hauptdichtung (Vorderseite 1 0o / erstes Fluid F1 )
6' Hauptdichtung (Rückseite 1 0u / zweites Fluid F2)
7 Zuführbereich / Verteilungsbereich (Vorderseite 1 0o/erstes Fluid
F1 )
7' Zuführbereich / Verteilungsbereich (Rückseite 10u/zweites Fluid
F2)
8 Bündelungsbereich / Abführbereich (Vorderseite 1 0o/erstes Fluid
F1 )
8' Bündelungsbereich / Abführbereich (Rückseite 1 0u/zweites Fl uid
F2)
9 Hauptwärmeübertragungsbereich/Hauptwärmetauschbereich
(Vorderseite 1 0o / erstes Fluid F1 )
9' Hauptwärmeübertragungsbereich/Hauptwärmetauschbereich
(Rückseite 1 0u / zweites Fluid F2) Substrat der Wärmeübertragerplatte 1 0, Plattensubstrat
' Material des Plattensubstrats, keramisches Material, SiC- oder
SSiC-Material
o Oberseite / Vorderseite des Substrats 1 0
u Unterseite / Rückseite des Substrats 1 0
Kanalanordnung / Fließkanalanordnung (Vorderseite 10o / erstes Fluid F1 )
' Kanalanordnung / Fließkanalanordnung (Rückseite 1 0u / zweites
Fluid F2)
b, 20b' Kanalboden
k, 20k' Fließkanal, Kanal, Wärmeübertragungskanal
p, 20p' Kanalplateau
r, 20r' Kanalrinne
s, 20s' Kanalsteg
w, 20w' Kanalwand
, 21 ' Hauptwärmeübertragungskanalanordnung, Hauptkanalanordnungb, 21 b' Kanalboden
k, 21 k' Hauptwärmeübertragungskanal, Hauptkanal
p, 21 p' Kanalplateau
r, 21 r' Kanalrinne
s, 21 s' Kanalsteg
w, 21 w' Kanalwand
, 22' Zuführkanalanordnung / Verteilungskanalanordnung
b, 22b' Kanalboden
k, 22k' Verteilungskanal
p, 22p' Kanalplateau
r, 22r' Kanalrinne
s, 22s' Kanalsteg
w, 22w' Kanalwand
, 23' Bündelungsanordnung / Abführkanalanordnung
b, 23b' Kanalboden
k, 23k' Bündelungskanal , Zusammenführkanal, Abführkanal 23p, 23p' Kanalplateau
23r, 23r' Kanalrinne
23s, 23s' Kanalsteg
23w, 23w' Kanalwand
1 00 erfindungsgemäßer Plattenwärmeübertrager oder Plattenwärme- tauscher
1 00' Anordnung für einen erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager 100 oder Plattenwärmetauscher 1 00
1 1 0 Stapel einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder Wärmetauscherplatten 1
1 20 Spannplatte, Spanneinrichtung
1 30 Schraubeinrichtung, Verschraubung, Spannschraube
F1 erstes Fluid, erstes Wärmeübertragungsfluid
F2 zweites Fluid, zweites Wärmeübertragungsfluid
k kurze Kante des Plattensubstrats 1 0
I lange Kante des Plattensubstrats 1 0
t Tiefe des Kanals 20k, 20k' oder der Kanalrinne 20r, 20r'
U Undulationsrichtung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Wärmeübertragerplatte (1 ) für einen Plattenwärmeübertrager (1 00),
mit einem Plattensubstrat (1 0), welches mit oder aus einem SiC-Material (1 0') oder einem Sil iziumcarbidmaterial (1 0') ausgebildet ist und welches eine Vorder- oder Oberseite (1 0o) und eine Rück- oder Unterseite (1 0u) aufweist,
wobei zumindest die Vorder- oder Oberseite (1 0o) des Plattensubstrats (1 0) mit einer Fl ießkanalanordnung (20) mit einer Mehrzahl von Fließkanälen (20k) ausgebildet ist und
wobei ein Teil oder sämtl iche der Fließkanäle (20k) der Fließkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise Kanalrinnen (20r) begrenzende Kanalwände (20w) bildende Kanalstege (20s) aufweisen .
2. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach Anspruch 1 ,
wobei das Plattensubstrat (10) mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial (1 0') oder SSiC-Material (1 0) ausgebildet ist.
3. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine minimale Schichtstärke Dmin und/oder eine mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats (1 0) im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 4 mm liegen, insbesondere bei etwa 3 mm oder darunter, vorzugsweise bei etwa
2 mm.
4. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schichtstärke Ds des Plattensubstrats (1 0) im Bereich eines
Kanalstegs (20s) größer ist als die minimale Schichtstärke Dmin des Plattensubstrats (1 0) und/oder als die mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats (1 0),
so dass etwa die Beziehung
Ds > Dmin bzw. etwa die Beziehung
Ds > Dm
erfüllt ist.
5. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine lokale Breite Bb des Bodens (20b) der Kanalrinne (20w) des
Fließkanals (20k) und die lokale Breite Bsb einer Basis des Kanalstegs (20s) des Fließkanals (20k) auf der Höhe des Bodens (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) - jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals (20k) - ein Verhältnis Bb:Bsb von etwa 1 :4 aufweisen,
so dass etwa die Beziehung
Bb : Bsb = 10 : 4
erfüllt ist.
6. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Breite Bb des Bodens (20b) der Kanalrinnen (20r) des
Fließkanals (20k) und die lokale Breite Bsp eines Plateaus (20sp) eines Kanalstegs (20s) eines Fließkanals (20k) auf der dem Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fl ießkanals (20k) abgewandten Seite - jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals (20k) - ein Verhältnis Bb:Bsp im Bereich von etwa 1 0:3 aufweisen,
so dass etwa die Beziehung
10 : 4 < Bb : Bsp < 10 : 2 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung
Bb : Bsp = 10 : 3
erfüllt ist.
7. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Breite Bsb der Basis (20sb) des Kanalstegs (20s) des Fließkanals (20k) auf der Höhe des Bodens (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) und die lokale Breite Bsp des Plateaus (20sp) des Kanalstegs (20s) des Fließkanals (20k) auf der den Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fl ießkanals (20k) abgewandten Seite - jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fl ießkanals (20k) - ein Verhältnis Bsb:Bsp im Bereich von etwa 1 : 1 bis etwa 4:2, vorzugsweise von etwa 4:3 aufweisen, so dass etwa die Beziehung
4 : 2 < Bsb : Bsp < 1 : 1 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung
Bsb : Bsp = 4 : 3
erfüllt ist.
8. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Kanalwände (20w) eines Fließkanals (20k) mit der Normalen zum Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) einen Winkel α einschließen, der im Bereich von mehr als 0° und weniger als 30°, vorzugsweise bei etwa 15° l iegt,
so dass etwa die Beziehung
0° < a < 30° bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung a = 15°
erfüllt ist.
9. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Breite Bb des Bodens (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) - gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals (20k) - und die Tiefe t der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) - gemessen senkrecht zum Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) - ein Verhältnis Bb:t im Bereich von etwa 10:10 bis etwa 10:4, vorzugsweise etwa 10:4 aufweisen,
so dass etwa die Beziehung
10:10<Bb:t<10:4 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung
Bb:t = 10:4
erfüllt ist.
10. Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Plattensubstrat (10) von der Oberseite (10o) zur Unterseite (10u) durchdringende Zuführ- und Abführöffnungen (2, 3) zum Zuführen bzw. Abführen eines ersten Wärmeübertragungsfluids (F1) zu bzw. von der Oberseite (10o) des Plattensubstrats (10) vorgesehen sind, und wobei die Fließkanalanordnung (20) zum Transport des ersten Wärmeübertragungsfluids (F1 ) von der Zuführöffnung (2) zur Abführöffnung (3) ausgebildet ist.
11. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Fließkanäle (20k) der Fließkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise einen mehrfach undulierten Verlauf aufweisen und wobei die Undulationsrichtung (U) in einer vom Plattensubstrat (10) definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom jeweiligen Fließkanal (20k) lokal und/oder im Mittel definierten Fließrichtung verläuft.
1 2. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach Anspruch 1 1 ,
wobei die Form der Undulation eines jeweiligen Fließkanals (20k) eine Form aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen.
1 3. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Rück- oder Unterseite (1 u) des Plattensubstrats (1 ) eine zweite Fließkanalanordnung (20') für ein zweites Wärmeübertragungsfluid (F2) mit einer Mehrzahl von entsprechenden Fließkanälen (20k') ausgebildet ist.
14. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach Anspruch 1 3,
wobei das Plattensubstrat (1 0) von der Oberseite (10o) zur Unterseite (1 0u) durchdringende zweite Zuführ- und Abführöffnungen (2', 3') zum Zuführen bzw. Abführen des zweiten Wärmeübertragungsfluids (F2) zu bzw. von der Rück- oder Unterseite (1 0u) des Plattensubstrats (1 0) vorgesehen sind und
wobei die zweite Fließkanalanordnung (20') zum Transport des zweiten Wärmeübertragungsfluids (F2) von der zweiten Zuführöffnung (2') zur zweiten Abführöffnung (3') ausgebildet ist.
1 5. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche in Bezug auf die Vorder- oder Oberseite (1 0o) und die Rück- oder Unterseite (1 0u) um 1 80° rotationssymmetrisch ausgebildet ist bezügl ich einer im Plattensubstrat (1 0) verlaufenden Symmetrieachse (S).
1 6. Wärmeübertragerplatte (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Plattensubstrat (1 0) im Wesentlichen eine Rechteckform besitzt,
wobei Zuführ- und/oder Abführöffnungen (2, 2', 3, 3') im Bereich an gegenüberliegenden ersten - vorzugsweise kürzeren - Seiten der Rechteckform ausgebildet sind und wobei Fließrichtungen erster und/oder zweiter Wärmeübertragungsfluide (F1 , F2) und/oder Haupterstreckungsrichtungen von Fl ießkanälen (20k, 20k') im Wesentlichen entlang von Erstreckungsrichtungen gegenüberliegender zweiter - vorzugsweise längerer - Seiten der Rechteckform ausgebildet sind . 7. Plattenwärmeübertrager (1 00),
mit einer Mehrzahl Wärmeübertragerplatten (1 ; 1j, j = 1 , n) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 6,
wobei die Wärmeübertragerplatten (1 ; 1j, j = 1 , n) derart ausgebildet und angeordnet sind :
dass die Rück- oder Unterseite (1 0u) des Plattensubstrats (1 ) einer jeweils vorangehenden Wärmetübertragerplatte (1 ; 1j, j = 1 , n-1 ) der Vorder- oder Oberseite (1 Oo) des Plattensubstrats (1 ) einer jeweils direkt nachfolgenden Wärmeübertragerplatte (1 ; 1j+ 1 , j = 1 , n-1 ) direkt gegenüberliegt und direkt oder mit einer Dichtungsanordnung (6, 4-1 , 4-2) dazwischen an dieser anliegt,
dass durch die Abfolge der Wärmeübertragerplatten (1 , 1j, j = 1 , n) und/oder insbesondere durch die Ausbildung der Dichtungsanordnung (6, 4-1 , 4-2) voneinander direkt aufeinander folgender strömungsmäßig getrennte Durchströmungsräume (R1 , Rn+1 ) ausgebildet sind,
dass direkt benachbarte Durchströmungsräume (Rj, Rj+ 1 , j = 1 , n) paarweise strömungsmäßig getrennt sind, und
dass jeweils übernächst benachbarte Durchströmungsräume (Rj, Rj+2, j = 1 , n-1 ) paarweise strömungsmäßig verbunden, jeweils einem Wärmeübertragungsfluid (F1 , F2) zugeordnet und zum Durchströmen von jeweils zugeordnetem Wärmeübertragungsfluid (F1 , F2) von der jeweiligen Zuführöffnung (2, 2') zur jeweiligen Abführöffnung (3, 3') hin ausgebildet sind .
1 8. Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte (1 ) für einen Plattenwärmeübertrager (1 00),
mit den Schritten :
Bereitstellen oder Ausbilden eines Plattensubstrats (1 0) mit oder aus einem SiC-Material (1 0') oder einem Siliziumcarbidmaterial (1 0') mit einer Vorder- oder Oberseite (1 0o) und einer Rück- oder Unterseite (1 0u), Ausbilden einer Fl ießkanalanordnung (20) mit einer Mehrzahl von Fließkanälen (20k) auf der Vorder- oder Oberseite (10o) des Plattensubstrats (1 0),
wobei ein Teil oder sämtliche der Fl ießkanäle (20k) der Fl ießkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise mit Kanalrinnen (20r) begrenzende Kanalwände (20w) bildenden Kanalstegen (20s) ausgebildet werden .
1 9. Verfahren nach Anspruch 1 8,
wobei das Plattensubstrat (1 0) mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial (1 0) oder SSiC-Material (1 0') ausgebildet wird .
20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 8 oder 19,
wobei Fließkanäle (20k) der Fließkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise mit einem mehrfach undulierten Verlauf ausgebildet werden,
wobei die Undulationsrichtung (U) in einer vom Plattensubstrat (1 0) definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom Fließkanal (20k) lokal oder im Mittel definierten Fließrichtung verlaufend ausgebildet wird und
wobei insbesondere die Form der Undulation eine Form aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen.
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