WO2016037810A1 - Stapelscheiben-wärmeübertrager - Google Patents

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WO2016037810A1
WO2016037810A1 PCT/EP2015/068962 EP2015068962W WO2016037810A1 WO 2016037810 A1 WO2016037810 A1 WO 2016037810A1 EP 2015068962 W EP2015068962 W EP 2015068962W WO 2016037810 A1 WO2016037810 A1 WO 2016037810A1
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WO
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heat exchanger
coolant
plate heat
stacked
temperature
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/068962
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Renz
Volker Velte
Boris Kerler
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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Priority to US15/509,412 priority patent/US20170254597A1/en
Priority to JP2017512797A priority patent/JP2017528678A/ja
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0082—Charged air coolers

Definitions

  • the present invention relates to a stacked plate heat exchanger, in particular a charge air cooler, with a high-temperature coolant circuit and a low-temperature coolant circuit.
  • Cooling systems for intercooling currently available on the market often have a stacked-plate heat exchanger which has a single-stage design.
  • the achievable with the single-stage temperature efficiency is limited.
  • cooling fluids such as, for example, coolant, refrigerant, oil, exhaust gas or charge air
  • a disadvantage of the two-stage temperature control of fluids is, however, that the use of two conventionally connected in series heat exchangers is associated with significantly higher costs and increased space requirements.
  • a stacked plate heat exchanger in particular a charge air cooler, with a plurality of stacked and interconnected, for example, soldered, elongated panes known, which has a cavity for carrying a medium to be cooled, such as charge air in the longitudinal direction Limiting discs and another cavity for carrying a coolant, wherein the discs each have an input port and an output port for the medium to be cooled.
  • a stacked plate heat exchanger on the one hand is inexpensive to produce and on the other hand, even at high temperatures has a long life, at least one coolant connection extends partially around a connection for the medium to be cooled around.
  • the invention is concerned with the problem of providing a stacked-plate heat exchanger of the generic type an improved embodiment, which allows a two-stage temperature control of a medium to be cooled with a compact design.
  • the present invention is based on the general idea to provide on individual heat exchanger plates of a stacked plate heat exchanger, an embossed partition, which is molded simultaneously with the heat exchanger plate and which serves to separate a high-temperature coolant circuit and a low-temperature coolant circuit from each other, but at the same time allows these two circuits to run in a common stacked plate heat exchanger.
  • the stacked-plate heat exchanger according to the invention which may be designed, for example, as a charge air cooler, has said high-temperature coolant circuit and the aforementioned low-temperature coolant circuit, wherein the stacked heat exchanger plates of two coolants with different temperature levels in the high-temperature coolant circuit and in the low-temperature coolant circuit on the one hand and are flowed through by the medium to be cooled, for example, charge air, on the other hand.
  • the stacked-plate heat exchanger according to the invention it is now possible to use a two-stage timer. in a lone stacked plate heat exchanger summarize and thus to achieve an extremely compact solution.
  • the stacked plate heat exchanger is designed as a counterflow cooler.
  • the coolant and the medium to be cooled flow opposite to each other, whereby a particularly effective cooling can be achieved.
  • the cooling effect is generally greater than in the case of the same flow directions.
  • the heat exchanger plates have a circumferential raised edge over which they are soldered to an adjacent, in particular one or above, arranged heat exchanger plate, wherein the partition is connected in each case along the end side with the edge.
  • the partition thus passes through the respective heat exchanger plate in the transverse direction and is connected at one end at one edge and at the other end at the opposite edge.
  • Such a heat exchanger plate usually has the shape of a rectangle, the narrow sides, however, are rounded in a semicircle.
  • the partition wall preferably runs centrally, but can be moved in almost any desired manner in accordance with the required cooling capacity of the low-temperature coolant circuit or the high-temperature coolant circuit in the longitudinal direction of that heat exchanger plate. As a result, the cooling capacity of the two circuits is adjustable.
  • the arrangement of the partition wall is comparatively easily adjustable by the corresponding positioning of a separating web in the punching tool.
  • a coolant inlet and / or a coolant outlet is / is provided in the region of the connection of the partition wall to the edge.
  • the two semicircular rounded L Lucassend Schemee each heat exchanger plate also have a semi-circular opening for the medium to be cooled, wherein the one opening is designed as an inlet opening and the other opening is designed as an outlet opening.
  • coolant channels are arranged in the manner of a ring segment around the respective inlet or outlet opening.
  • a flow through the stacked plate heat exchanger takes place from the medium to be cooled in that it first through the inlet opening (medium inlet) and then flows through the individual heat exchanger plates in the longitudinal direction, at the opposite end again deflected by 90 degrees and via the outlet opening (Me-). diumauslass) to be discharged.
  • the coolant required for the exchange of heat flows in, for example, in the low-temperature circuit via the coolant inlet arranged in the manner of a ring segment and out again via two coolant outlets arranged in the region of the dividing wall.
  • the coolant flows through two arranged in the region of the partition coolant inlets, through the heat exchanger plate and through the ring segment-like arranged coolant outlets again.
  • the flow direction of the coolant is in both circuits opposite to that of the medium to be cooled, for example, the charge air in order to realize the countercurrent principle.
  • the coolant inlets and / or coolant outlets may have a triangular cross section and their legs may be aligned parallel to the partition wall and the edge.
  • the cross section of the coolant inlet or of the coolant outlet is a right-angled triangle, as a result of which the two catheters of the respective coolant inlet or coolant outlet run parallel to the partition wall or to the edge.
  • Such a cross section of the coolant inlet or of the coolant outlet is comparatively easy to produce with a corresponding punching tool, wherein, of course, the corner regions of the cross sections are rounded in order in particular to be able to reduce a notch effect.
  • leg length of the coolant inlet or of the coolant outlet extending along the dividing wall may be greater than on the low-temperature side, whereby an optimized charge air distribution can be achieved on the low-temperature side and increased cooling performance can be achieved.
  • 1 is a sectional view through a stacked plate heat exchanger according to the invention
  • 2 is a view of a heat exchanger plate of the stacked plate heat exchanger
  • Fig. 4 is a representation as in Figure 2, but in a plane of a medium to be cooled
  • Fig. 5a-d different pronounced cross sections of a in the area of a
  • a stacked-plate heat exchanger 1 which is embodied, for example, as a charge air cooler, has a high-temperature coolant circuit HT and a low-temperature coolant circuit NT with heat exchanger plates 2 stacked on top of each other and through which two coolants 3, 4 with different temperature levels flow.
  • the coolant 3 flows in comparison with the coolant 4 higher temperature level in the high-temperature coolant circuit HT, whereas the coolant 4 flows at a significantly lower temperature level in the low-temperature coolant circuit NT.
  • the stacked plate heat exchanger 1 of the invention is to be cooled by the 5, for example, charge air, flows through, so that the stacked plate heat exchanger 1 operates in countercurrent principle.
  • the heat exchanger plates 2 an embossed partition 6 (see Figures 2 to 6), the separates the high-temperature coolant circuit HT from the low-temperature coolant circuit NT.
  • all the heat exchanger plates 2 have a peripherally erected edge 7, via which they are soldered to an adjacent, for example, a heat exchanger plate 2 arranged below or above, wherein the partition wall 6 is connected to the edge 7 at the longitudinal end.
  • the partition 6 can meet orthogonally on the respective edge 7, as shown for example according to the embodiments Figures 2 to 5b and 5d and 6.
  • the partition wall 6 meets at an acute angle to the edge 7, as shown for example in accordance with the figure 5c.
  • a coolant inlet 8 and / or a coolant outlet 9 are arranged in the area of the connection of the partition wall 6 to the edge 7.
  • the coolant inlets 8 and / or the coolant outlets 9 have a triangular, ie triangular, cross section and are parallel with the dividing wall 6 and with their legs X at their legs Y (compare FIGS. 5a to 5c) Aligned edge 7.
  • the parallel to the partition wall 6 aligned leg Y of the triangular coolant inlet 8 or the coolant outlet 9 may be longer or shorter than the aligned parallel to the edge 7 leg X, which of course is also conceivable that both legs X, Y of the triangular Coolant inlet 8 or the triangular coolant outlet 9 are the same length.
  • the edge 7 according to the figure 5d in the region of the partition wall 6 a bulge to the outside, whereby the coolant inlet 8 and the coolant outlet 9 have an at least approximately circular segment-like cross section and are offset to the outside.
  • the medium 5 to be cooled flows from a medium inlet 10 through the heat exchanger plates 2 to a medium outlet 11 in a substantially U-shape through the stacked plate heat exchanger 1.
  • the coolant 4 first flows through a coolant inlet 8 'over approximately half of the heat exchanger plates 2 to the coolant outlet 9 located in the region of the partition wall 6, two coolant outlets 9 being arranged on the dividing wall 6 (cf. FIG. 2), while the coolant inlet 8' is arranged. ringseg- ment arranged around the medium outlet 1 1.
  • the coolant 3 flows to the partition wall 6 through the high-temperature coolant circuit HT through also about half of the heat exchanger plate 2 to the coolant outlet 9 ', which extends like a ring segment around the medium inlet 10.
  • the partition wall 6 is substantially centered but slightly displaced in the direction of the high-temperature coolant circuit HT, whereby the high-temperature coolant circuit HT has a shorter heat-transferring contact between the medium 5 to be cooled and the coolant 3 ,
  • turbulence inserts 12 may be used.
  • a displacement of the partition wall 6 can be achieved by a simple variation or displacement of a corresponding separating web in the associated punching tool for the production of the heat exchanger plates 2.
  • winglets or a corrugated rib structure can also be used to improve the heat transfer.
  • leg X extending parallel to the edge 7 is made longer than the leg Y of the coolant outlet 9 running parallel to the dividing wall 6, thereby increasing a width Z of the passage cross-section available for the charge air and thus the pressure loss on the charge air side can be reduced.
  • the coolant outlet 9 according to FIG. 5 b is provided with a significantly reduced limb length of the leg Y parallel to the dividing wall 6, while the coolant inlet 8 on the high-temperature side, i. in the high-temperature coolant circuit HT has a comparatively longer leg Y for this purpose.
  • the medium to be cooled 5 i. the charge air
  • the low temperature side NT a greater width Z of the available flow cross-section, whereby the flow rate on the low temperature side NT compared to the high temperature side HT decreases and the low temperature side cooling capacity can be increased.
  • FIG. 5c shows a dividing wall 6 which occurs at an acute angle to the edge 7, wherein the dividing wall 6 is angled.
  • the coolant outlet 9 is displaced in the direction of the low-temperature side NT, wherein due to the angled partition 6 with the same cross-section, a larger for the medium to be cooled 5, ie the charge air, available flow cross-section can be provided (greater width Z), which also a lower pressure drop on the charge air side can be achieved.
  • the edge 7 of the heat exchanger plate 2 is curved in the region of the partition wall 6 to the outside and the coolant inlet 8 and the coolant outlet 9 have an at least approximately circular segment-like cross section.
  • the stacked plate heat exchanger 1 is designed in such a way that it flows through the medium 5 to be cooled, for example the charge air, in a U-shaped manner. According to FIG. 6b, this takes place in a Z-shaped manner, whereas according to FIG. 6c, it takes place in a double U-shape.
  • stacked-plate heat exchanger 1 With the stacked-plate heat exchanger 1 according to the invention, a compact two-stage heat exchanger can be created, on the one hand Space advantages and on the other hand, an optimized cooling can be achieved.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1), insbesondere ein Ladeluftkühler, mit einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf (HT) und einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf (NT), mit aufeinandergestapelten Wärmetauscherplatten (2), die von zwei Kühlmitteln (3, 4) mit unterschiedlichem Temperaturniveau im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf (HT) und im Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf (NT) einerseits und einem zu kühlenden Medium (5), insbesondere Ladeluft, andererseits durchströmt sind. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Wärmetauscherplatten (2) eine geprägte Trennwand (6) zur Trennung des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs (HT) und des Niedertemperatur-Kühlmittelkreislaufs (NT) aufweisen.

Description

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

Claims

Ansprüche
1 . Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1 ), insbesondere ein Ladeluftkühler, mit einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf (HT) und einem Niedertemperatur- Kühlmittelkreislauf (NT), mit aufeinandergestapelten Wärmetauscherplatten (2), die von zwei Kühlmitteln (3,4) mit unterschiedlichem Temperaturniveau im Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf (HT) und im Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf (NT) einerseits und einem zu kühlenden Medium (5), insbesondere Ladeluft, andererseits durchströmt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmetauscherplatten (2) eine geprägte Trennwand (6) zur Trennung des Hochtemperatur-Kühlmittelkreislaufs (HT) und des Niedertemperatur- Kühlmittelkreislaufs (NT) aufweisen.
2. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1 ) als Gegenstromkühler ausgebildet ist.
3. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmetauscherplatten (2) einen umlaufenden aufgestellten Rand (7) aufweisen, über welchen sie mit einer benachbarten Wärmetauscherplatte (2) verlötet sind, wobei die Trennwand (6) jeweils längsendseitig mit einem Rand (7) verbunden ist.
4. Stapelscheiben-Wärmeübertrager Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennwand (6) orthogonal oder in einem spitzen Winkel auf den Rand (7) trifft.
5. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich der Anbindung der Trennwand (6) an den Rand (7) zumindest ein Kühlmitteleinlass (8) oder ein Kühlmittelauslass (9) angeordnet ist.
6. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlmitteleinlass (8) und/oder der Kühlmittelauslass (9) einen dreieckigen Querschnitt aufweisen und mit ihren Schenkeln (Y) parallel zur Trennwand (6) und mit ihren Schenkeln (X) parallel zum Rand (7) ausgerichtet sind.
7. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der parallel zur Trennwand (6) ausgerichtete Schenkel (Y) des dreiecks- förmigen Kühlmitteleinlass (8) oder Kühlmittelauslass (9) länger oder kürzer ist als der parallel zum Rand (7) ausgerichtete Schenkel (X) des dreiecksförmigen Kühlmitteleinlass (8) oder Kühlmittelauslass (9), oder
- dass beide Schenkel (X, Y) des dreiecksförmigen Kühlmitteleinlass (8) oder Kühlmittelauslass (9) gleich lang sind.
8. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rand (7) der Wärmetauscherplatte (2) im Bereich der Trennwand (6) nach außen gewölbt ist und der Kühlmitteleinlass (8) und/oder der Kühlmittelauslass (9) einen zumindest annähernd kreissegmentartigen Querschnitt aufweisen.
9. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1 ) derart ausgebildet ist, dass er vom zu kühlenden Medium (5), beispielsweise der Ladeluft, U-förmig, Z-förmig oder doppelt U-förmig durchströmt wird.
10. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1 ) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmittel (3) den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf (HT), U-förmig, Z-förmig oder doppelt U-förmig durchströmt, und/oder
- dass der Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1 ) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmittel (4) den Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf (NT) U-förmig, Z- förmig oder doppelt U-förmig durchströmt.
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