DE102011080828A1

DE102011080828A1 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE102011080828A1
Application number: DE102011080828A
Authority: DE
Inventors: Clemens Schupp; Andreas Grüner
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2013-02-14
Also published as: US9863715B2; WO2013020828A1; PL2742305T3; CN103703334A; JP6072036B2; JP2014521922A; EP2742305A1; US20140311722A1; CN103703334B; EP2742305B1

Abstract

Der insbesondere als Ölkühleranordnung vorgesehene Plattenwärmetauscher besitzt eine dünnwandige Grund- bzw. Anschlussplatte mit einem den Wärmetauscher an einer Stirnseite und daran anschließenden Seitenflächen formschlüssig aufnehmenden Bett sowie einem den Plattenwärmetauscher umrahmenden Flansch mit zur Stirnseite paralleler Flanschebene.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plattenwärmetauscher, insbesondere für Wasser und Öl, mit einer Vielzahl gestapelter Platten, die jeweils im Form flacher, ineinander gesetzter Wannen mit im Wesentlichen ebenen Böden ausgebildet, sowie an ihren Wannenrändern dicht miteinander verbunden sind und innerhalb des von ihnen gebildeten Plattenstapels alternierend aufeinander folgende erste und zweite Kammern voneinander abtrennen, wobei die über zugeordnete erste Öffnungen in den Platten miteinander parallel verbundenen ersten Kammern von einem ersten Fluid (z.B. Wasser) und die über zugeordnete zweite Öffnungen in den Platten miteinander parallel verbundenen zweiten Kammern von einem zweiten Fluid (z.B. Öl) parallel durchströmbar sind, und mit einer zur Halterung des Wärmetauschers vorgesehenen Grund- bzw. Anschlussplatte auf einer Stirnseite des Plattenstapels.
Derartige Plattenwärmetauscher sind allgemein bekannt. Beispielhaft kann auf DE 10 2009 030 095 A1 , EP 0 623 798 A2 und EP 1 562 014 A1 verwiesen werden.
Derartige Plattenwärmetauscher werden typischerweise in Kraftfahrzeugen als Ölkühler eingesetzt, d.h. die einen Kammern werden vom zu kühlenden Öl und die anderen Kammern von dem als Kühlmedium dienenden Kühlwasser durchströmt. Im Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad ist dabei regelmäßig vorgesehen, die beiden im Wärmeaustausch stehenden Fluide in einander entgegengesetzten Strömungsrichtungen fließen zu lassen, um einen Wärmeaustausch nach dem Gegenstromprinzip zu verwirklichen. Alternativ ist auch eine sogenannte Kreuzstrombauweise bekannt, bei der sich die Strömungswege der beiden Fluide diagonal überkreuzen, derart, dass die Strömungswege große einander entgegengerichtete Richtungskomponenten aufweisen.
Bei Verwendung als Ölkühler eines Verbrennungsmotors ist der Wärmetauscher regelmäßig an stabilen Teilen des Motorgehäuses gehaltert, wobei dann eine Beanspruchung durch die motorseitigen Vibrationen unvermeidlich wird.
Hinzu treten Belastungen durch wechselnde Temperaturen, die zu mehr oder weniger großen Verspannungen zwischen benachbarten Platten führen können. Da die Entwicklung von Verbrennungsmotoren jetzt und in Zukunft eine Tendenz in Richtung von Verbrennungsmotoren mit kleinen Hubräumen und vergleichsweise geringer Zylinderzahl haben wird, nehmen die Beanspruchungen durch Temperaturwechsel und Vibrationen tendenziell zu.
Bei bisherigen Plattenwärmetauschern war die Grund- bzw. Anschlussplatte vergleichsweise dickwandig und schwer, sowie äußerst steif ausgebildet, z.B. als Stanzteil. Gleichwohl sind im Verbindungsbereich zwischen Plattenstapel und Grund- bzw. Anschlussplatte nach längerer Einsatzzeit des Wärmetauschers Risse aufgetreten, so dass keine an die Lebensdauer des jeweiligen Verbrennungsmotors angepasste Einsatzzeit erreicht werden konnte.
Hier setzt die Erfindung an, wobei eine einfache und leichtgewichtige Konstruktion angestrebt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber Vibrationen und Temperaturwechseln dauerhaft sichere Konstruktion zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Plattenwärmetauscher der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Grund- bzw. Anschlussplatte auf der von der Konvexseite einer Platte gebildeten Stirnseite des Plattenstapels angeordnet und aus Flachmaterial hergestellt ist, welches unter Bildung einer am Boden- und/oder Wannenrand der stirnseitigen Platte rahmenartig anliegenden Aufnahme sowie eines den Plattenstapel umrahmenden Flansches umgeformt ist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Grund- bzw. Anschlussplatte vergleichsweise dünnwandig mit einem formschlüssig am Boden- und/oder Wannenrand der stirnseitigen Platte anliegenden Aufnahmerahmen auszubilden. Damit werden eine optimale Anpassung an die Form des Plattenstapels sowie eine großflächige Anlage der Grund- bzw. Anschlussplatte am Plattenstapel gewährleistet.
Insbesondere ist vorteilhaft, dass die Grund- bzw. Anschlussplatte den Wärmetauscher großflächig abstützt und dementsprechend alle Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen oder dgl., zwischen Wärmetauscher und Grund- bzw. Anschlussplatte vergleichsweise wenig belastet werden.
All diese Vorteile werden in besonders hohem Maße verwirklicht, wenn die Grund- bzw. Anschlussplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit ihrer Aufnahme für den Plattenstapel ein an den Boden- bzw. Wannenrand der stirnseitigen Platte angeschmiegtes Bett bildet. In herstellungsmäßig besonders einfacher Ausgestaltung kann die Grund- bzw. Anschlussplatte als einstückiges Formteil ausgebildet sein, wobei der Flansch an seinem Innenrand in die Aufnahme beziehungsweise das Bett übergeht und an seinem äußeren Rand gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung umgebogen sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Grund- bzw. Anschlussplatte auch zweiteilig oder mehrteilig zusammengesetzt sein, d.h. als gebautes Teil ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei ein doppellagiger oder mehrlagiger Flansch vorgesehen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Bauform kann dann ein zur Bildung der Doppellage dienender ringförmiger Flachmaterialzuschnitt an seiner inneren Randzone zu einer am Wannenrand der stirnseitigen Platte des Plattenstapels anliegenden Wandung umgebogen sein.
Darüber hinaus kann auch der äußere Rand des vorgenannten Flachmaterialzuschnitts umgebogen sein, so dass ein besonders steifes Profil gebildet wird.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen näher beschrieben werden.
Schutz wird nicht für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Draufsicht auf die Grund- bzw. Anschlussplatte,
2 einen Längsschnitt dieser Grund- bzw. Anschlussplatte mit eingesetztem Plattenwärmetauscher,
3 eine der 1 entsprechende perspektivische Ansicht einer Grund- bzw. Anschlussplatte gemäß einer abgewandelten Ausführungsform und
4 einen Längsschnitt dieser Grund- bzw. Anschlussplatte mit eingesetztem Plattenwärmetauscher.
Die in 1 dargestellte Grund- bzw. Anschlussplatte 10 besteht aus einem Flachmaterial, beispielsweise Blech, vorzugsweise Aluminium oder Edelstahlblech, welches entsprechend der Zeichnung umgeformt ist. Wie dargestellt, besitzt die Grund- bzw. Anschlussplatte 10 ein eingeformtes Bett 11, dessen Form der Form des aufzunehmenden Plattenwärmetauschers angepasst ist, wie weiter unten deutlich wird. Innerhalb des Bodens des Bettes ist eine große rechteckige Aussparung 12 vorgesehen, die zur Gewichtseinsparung beiträgt. Außerdem sind in der Bodenfläche des Bettes 11 Öffnungen 13 für die Fluidanschlüsse des Plattenwärmetauschers angeordnet. Das Bett 11 wird umrahmt von einer Flanschfläche 15, die zur Versteifung mit einem nach abwärts umgebogenen Rand 14 versehen ist. Im Übrigen wird die Flanschfläche 15 dadurch erheblich versteift, dass sie mit den Randflächen des Bettes 11 ein das Bett 11 umrahmendes Winkelprofil bildet. In Draufsicht besitzt die Flanschfläche 15 die Form eines langgestreckten Achtecks, so dass an Befestigungslöchern 16 vergleichsweise breite Flanschflächenbereiche vorliegen. Die in 1 dargestellte Grund- bzw. Anschlussplatte 10 kann in einfacher Weise aus einem Blech oder einem sonstigen Flachmaterial durch Pressung, Prägung oder Tiefziehen geformt werden. Als Flachmaterial ist ggf. auch eine Platte aus einem hinreichend hitzefesten und umformbaren Material, das mit Fasern verstärkt sein kann, geeignet. Die Umformung eines solchen Werkstückes kann in ähnlicher Weise wie die Umformung vom Blech erfolgen.
2 zeigt nun die Grund- bzw. Anschlussplatte 10 in Kombination mit einem Plattenwärmetauscher 1. Dieser besteht in grundsätzlich bekannter Weise aus aufeinander gestapelten Platten 2 in Form flacher Wannen mit im Wesentlichen ebenen Böden. Zwischen je zwei Platten verbleibt ein schichtförmiger Durchflussraum für ein Fluid, z.B. Wasser oder Öl. Die Platten 2 sind so geformt und ausgebildet, dass beim Zusammenbau der Platten 2 zu einem Stapel erste und zweite Durchflussräume gebildet werden, die je für sich parallel geschaltet sind, wobei innerhalb des Plattenstapels die ersten und zweiten Durchflussräume alternierend aufeinander folgen. Somit ist im Falle eines Öl-Wasser-Wärmetauschers jeweils ein von Öl durchströmter Durchflussraum unmittelbar benachbart zu einem von Wasser durchströmten Durchflussraum angeordnet. An der obersten bzw. untersten Platte 2 des Wärmetauschers 1 können (nicht dargestellte) Anschlussleitungen für die Zu- und Ableitung der beiden Fluide angebracht sein bzw. werden.
2 zeigt, dass das Bett 11 (vergleiche die 1) an die Konvexseite der in der Darstellung der 2 untersten Platte 2 des Plattenwärmetauschers 1 angepasst ist und sich dementsprechend an die Randzonen des Bodens und des Wannenrandes dieser Platte anschmiegt.
Diese Fixierung kann in grundsätzlich bekannter Weise dadurch erfolgen, dass der Rand der Aussparung 12 (vergleiche 1) mit dem Boden der untersten Platte 2 des Plattenwärmetauschers 1 verlötet oder verschweißt wird. Im Übrigen können auch die oben erwähnten (nicht dargestellten) Anschlussleitungen des Plattenwärmetauschers 1 zur Verankerung bzw. Fixierung des Plattenwärmetauschers 1 an den in 1 dargestellten Öffnungen 13 dienen oder beitragen.
Bei der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist eine gebaute Grund- bzw. Anschlussplatte 20 vorgesehen. Diese besteht aus einer ebenen Platte 21, die die Form eines langgestreckten Achteckes aufweist. Auf einer Randzone dieser Platte 21 ist aufliegend ein ringförmiger Flansch 22 angeordnet, der mit einem aufwärts gebogenen Außenrand und einem aufwärts gebogenen Innenrand versehen ist. Der Außenrand ist der Achteck-Form der Platte 21 angepasst, der Innenrand besitzt eine Rechteck-Form entsprechend dem Grundriss des von der Grund- bzw. Anschlussplatte aufzunehmenden Plattenwärmetauschers 1. Im Beispiel der 3 wird also das für die Aufnahme des Plattenwärmetauschers 1 vorgesehene Bett 11 durch den aufgebogenen inneren Rand der Flanschplatte 22 sowie den innerhalb dieses Randes erstreckten Zentralbereich der Platte 21 gebildet. Dabei sind in der Platte 21 den Öffnungen 13 in 1 entsprechende Öffnungen 23 für Anschlussleitungen des Plattenwärmetauschers 1 vorgesehen.
4 zeigt nun die Kombination der Grund- bzw. Anschlussplatte 20 mit dem Plattenwärmetauscher 1. Insbesondere wird erkennbar, dass der aufgebogene Innenrand der Flanschplatte 22 der Neigung des Wannenrandes der untersten Platte des Plattenwärmetauschers angepasst ist und sich dementsprechend an den Wannenrand anschmiegt.
Bei den dargestellten Ausführungsformen der Grund- bzw. Anschlussplatte 10 bzw. 20 wird durch deren Formgebung auch bei Herstellung aus einem dünnwandigen Flachmaterial eine hohe Stabilität gewährleistet. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Flanschfläche 15 in 1 mit dem nach abwärts umgebogenen Außenrand und dem Übergang zum Bett 11 ein halbrohrähnliches Profil bildet. In entsprechender Weise besitzt die Flanschplatte 22 mit ihren aufwärts gebogenen Innen- und Außenrändern ebenfalls ein halbrohrähnliches Profil.
Abweichend von der Darstellung der 3 könnte in der Platte 21 in deren Zentralbereich eine der Aussparung 12 in 1 entsprechende Öffnung vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009030095 A1 [0002]
EP 0623798 A2 [0002]
EP 1562014 A1 [0002]

Claims

Plattenwärmetauscher (1), insbesondere für Wasser und Öl, mit einer Vielzahl gestapelter Platten (2), die jeweils in Form flacher, ineinander eingesetzter Wannen mit im Wesentlichen ebenen Böden ausgebildet, sowie an ihren Wannenrändern dicht miteinander verbunden sind, und innerhalb des von ihnen gebildeten Plattenstapels alternierend aufeinander folgende erste und zweite Kammern voneinander abtrennen, wobei die über zugeordnete erste Öffnungen in den Platten miteinander parallel verbundenen ersten Kammern von einem ersten Fluid (Waser) und die über zugeordnete zweite Öffnungen in den Platten miteinander parallel verbundenen zweiten Kammern von einem zweiten Fluid (Öl) parallel durchströmbar sind, und mit einer zur Halterung des Wärmetauschers vorgesehenen Grund- bzw. Anschlussplatte auf einer Stirnseite des Plattenstapels, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund- bzw. Anschlussplatte (10) auf der von der Konvexseite einer Platte gebildeten Stirnseite des Plattenstapels angeordnet und aus Flachmaterial hergestellt ist, welches unter Bildung einer am Boden- und/oder Wannenrand der stirnseitigen Platte rahmenartig anliegenden Aufnahme (Bett 11) mit einem den Plattenstapel umrahmenden Flansch (15, 22) umgeformt ist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme ein in den Boden- bzw. Wannenrand angeschmiegtes Bett (11) bildet.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund- bzw. Anschlussplatte (10) als einstückiges Formteil ausgebildet ist, wobei der Flansch (15) an seinem inneren Rand in die Aufnahme bzw. in das Bett (11) übergeht und an seinem äußeren Rand (14) umgebogen bzw. abgewinkelt ist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund- bzw. Anschlussplatte (20) als gebautes Teil mit doppellagigem oder mehrlagigem Flansch (22) ausgebildet ist, wobei die Doppel- bzw. Mehrfachlage eine ringförmige Lage aufweist, die an ihrer inneren Randzone in einen am Wannenrand der stirnseitigen Platte des Plattenstapels anliegende Wandung umgebogen ist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand der ringförmigen Lage (22) umgebogen bzw. abgewinkelt ist.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund- bzw. Anschlussplatte (10, 20) zumindest einen Randbereich des Wannenbodens der stirnseitigen Platte des Plattenstapels untergreift und in diesem Bereich Öffnungen (13, 23) aufweist, an bzw. in denen Anschlussleitungen des Plattenwärmetauschers (1) angeordnet sind.