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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Derartige
Wärmeübertrager
werden beispielsweise in der Patentschrift
DE 32 06 397 C2 beschrieben.
Dort sind gleichartige Platten, die jeweils mit parallelen Reihen
von länglichen
Durchbrüchen versehen
sind, so aufeinandergestapelt, daß die Durchbrüche einer
Platte mit benachbarten Durchbrüchen
derselben Reihe einer angrenzenden Platte überlappen und dadurch in Fluidverbindung
stehen. Auf diese Weise bildet jede Gruppe übereinanderliegender Reihen
von Durchbrüchen
ein zweidimensionales Strömungskanal-Netzwerk,
wobei die Netzwerkebenen parallel zur Stapelrichtung liegen und
die einzelnen Netzwerke untereinander nicht in Fluidverbindung stehen.
Durch geeignete Zufluß-
und Abflußeinrichtungen
an den Seiten des Sandwichs, zu denen hin die Netzwerke offen sind,
können
die einzelnen Netzwerke in mehrere Gruppen aufgeteilt werden, von
denen jede von einem bestimmten Fluid durchströmt wird.
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Die
FR 2 583 864 A1 beschreibt
einen aus mehreren aufeinandergestapelten Platten aufgebauten Tauschbereich
für einen
Wärmetauscher.
Die Platten weisen aneinandergereihte Perforierungen auf, die Strömungskanäle bilden,
welche sich im Wesentlichen senkrecht zur Plattenebene erstrecken.
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Aus
der Patentschrift
DE
37 09 278 C2 ist ein Wärmeübertrager
mit Platten-Sandwichstruktur bekannt, bei dem aufeinandergestapelte
Platten auf einer der beiden Flachseiten mit nebeneinanderliegenden
Längsnuten
versehen sind, die als Strömungskanäle dienen.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Wärmeübertragers
der eingangs genannten Art zugrunde, dessen Platten-Sandwichstruktur
mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und eine hohe Druckbeständigkeit,
ein geringes inneres Volumen sowie ein zufriedenstellendes Wärmeübertragungsvermögen aufweist.
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Dieses
Problem wird durch einen Wärmeübertrager
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Aufbau der Platten-Sandwichstruktur
ist mit verhältnismäßig wenig
Aufwand möglich,
indem die Strömungskanäle zur Durchführung des
oder der Wärmeübertragungsfluide
von geeignet angeordneten Strömungskanal-Durchbrüchen gebildet
sind, die in einfacher Weise beispielsweise durch Stanzen eingebracht
werden können.
In Stapelrichtung wird eine oder eine Mehrzahl von zu einer Strömungskanalplatteneinheit
zusammengefaßten
Strömungskanalplatten
beidseitig von strömungskanalabdeckenden Platten
bedeckt, so daß jeder
Strömungspfad
auf den Raum zwischen je zwei strömungskanalabdeckenden Platten
begrenzt bleibt und daher überwiegend parallel
zur Plattenebene verläuft,
wobei die Strömungskanalplatten
bevorzugt so gestaltet sind, daß ein
möglichst
hoher Flächenanteil
durchbrochen ist, d.h. zu den Strömungspfaden beiträgt. Die
Bildung eindimensionaler Strömungspfade
erleichtert in Vergleich zu dem eingangs erwähnten, bekannten, zweidimensionalen
Strömungskanal-Netzwerk
die Erzielung eines weitgehend geradlinigen Strömungsverhaltens. Der Wärmeübertrager
ist zudem mit vergleichsweise geringer Ausdehnung in Stapelrichtung, d.h.
mit wenigen Platten, realisierbar, da die wärmeaustauschwirksamen Strömungspfade
innerhalb einer oder einiger weniger aneinandergrenzender Strö mungskanalplatten
und nicht merklich in Stapelrichtung verlaufen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 beinhaltet die
Platten-Sandwichstruktur für
den Wärmeübertrager
als Strömungsplatteneinheit
nur eine Strömungskanalplatte,
in die ein oder mehrere, strömungspfadbildende
Strömungskanal-Durchbrüche eingebracht
sind und die zwischen zwei zugehörigen
strömungskanalabdeckenden
Platten liegt. In einem minimalen Aufbau genügen so bereits drei Einzelplatten
zur Realisierung einer funktionsfähigen Sandwichstruktur.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 beinhaltet jede
Strömungskanalplatteneinheit
in der Platten-Sandwichstruktur zwei mit Strömungskanal-Durchbrüchen versehene
Platten, deren Durchbrüche
sich strömungspfadbildend überlappen. Auf
diese Weise können
Strömungspfadanordnungen,
die aus topologischen oder Stabilitätsgründen mit Durchbrüchen in
nur einer Platte nicht möglich sind,
realisiert werden, indem die Strömungspfade abschnittweise
auf sich überlappende
Durchbrüche in
den beiden Strömungskanalplatten
aufgeteilt werden. Die Strömungspfade
verlaufen dann entlang ihrer Länge
abwechselnd in der einen bzw. in der anderen Platte und damit immer
noch überwiegend
parallel zu den Platten.
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Durch
eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird über eine
oder beide der strömungskanalabdeckenden
Platten, die eine jeweilige Strömungskanalplatteneinheit
begrenzen, ein Zufluß und/oder
ein Abfluß zu
dieser Strömungskanalplatteneinheit
geschaffen. Handelt es sich bei der strömungskanalabdeckenden Platte
um eine Endplatte der Sandwichstruktur, so kann diese Zufluß- bzw.
Abflußöffnung als
Anschluß nach
außen
verwendet werden. Die Öffnungen
in innenliegenden strömungskanalabdeckenden
Platten können
beispielsweise zum parallelen Zufluß bzw. Abfluß des Fluids
zu bzw. von mehreren Strömungskanalplatteneinheiten,
die jeweils durch eine strömungskanalabdeckende
Platte voneinander getrennt sind, ver wendet werden. Es versteht
sich, daß die
jeweilige Zufluß- und/oder Abflußöffnung einer
strömungskanalabdeckenden
Platte mit einem zugehörigen
Strömungskanal-Durchbruch
einer angrenzenden Strömungskanalplatte überlappt,
wobei dieser Überlappungsbereich
die Zufluß-
bzw. Abflußstelle
der Strömungskanalplatte
bildet.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 werden mittels Überlappung
der entsprechenden Zufluß-
bzw. Abflußöffnungen
in Stapelrichtung verlaufende Zufluß- bzw. Abflußkanäle gebildet, über welche
ein oder mehrere Fluide parallel durch die jeweils zugeordneten
Strömungskanalplatteneinheiten
in der Sandwichstruktur hindurchgeleitet werden können. Die
Zufluß-
bzw. Abflußöffnungen
in den Strömungskanalplatteneinheiten
bilden dabei gleichzeitig die jeweilige Zufluß- bzw. Abflußstelle
eines zugehörigen,
von einem oder mehreren Strömungskanal-Durchbrüchen gebildeten
Strömungspfades.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist wenigstens
eine innenliegende strömungskanalabdeckende
Platte als ungelochte Trennplatte ausgeführt. Die Trennplatte bildet
eine Fluidtrennung für
zwei beidseitig angrenzende Strömungskanalplatteneinheiten,
durch die folglich zwei unterschiedliche Fluide geführt werden
können,
zwischen denen Wärme über die
Trennplatte übertragen werden
kann.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 ist die Platten-Sandwichstruktur
auf besonders ökonomische
Weise durch Aufeinanderfalten eines geeignet mit den benötigten Durchbrüchen versehenen
Endlosbandbleches und anschließendes fluiddichtes
Verbinden der aufeinandergefalteten und zusammengepreßten Blechplattenabschnitte
gefertigt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 in
der linken Hälfte
unten eine schematische Draufsicht auf eine Sandwichstruktur aus vier
Platten für
einen Einfluid-Wärmeübertrager
und oben einen Längsschnitt
entlang der Linie I-I sowie in der rechten Hälfte Drauf sichten auf die
vier verwendeten Platten,
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2 eine
Darstellung analog 1 für ein weiteres Beispiel eines
Einfluid-Wärmeübertragers mit
einer Sandwichstruktur aus vier Platten, jedoch mit gegenüber 1 modifizierter
Gestaltung der vier Platten und einer Seitenansicht als linkes oberes Teilbild,
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3 eine
Darstellung analog 1, jedoch für einen Einfluid-Wärmeübertrager
mit einer Sandwichstruktur aus fünf
Platten und mit einer Schnittansicht längs der Linie II-II als linkes
oberes Teilbild,
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4 eine
Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager
mit mehreren Strömungskanalplatteneinheiten
aus je zwei Strömungskanalplatten
und mit einer Schnittansicht längs
der Linie III-III als linkes oberes Teilbild,
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5 eine
Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager
mit einer Sandwichstruktur aus vier Platten und mit einer Schnittansicht
längs der
Linie IV-IV als linkes oberes Teilbild,
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6 eine
Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager
mit einer Sandwichstruktur aus drei Platten und mit einer Schnittansicht
längs der
Linie V-V als linkes oberes Teilbild,
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7 eine
Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager
mit einer minimalen Sandwichstruktur aus drei Platten und mit einer
Schnittansicht längs
der Linie VI-VI als linkes oberes Teilbild,
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8 eine
Darstellung analog 1, jedoch für einen Mehrfluid-Wärmeübertrager
mit mehreren Strömungskanalplatteneinheiten
aus je zwei Strömungskanalplatten
und mit einer Schnittansicht längs
der Linie VII-VII als linkes oberes Teilbild,
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9 eine
schematische Darstellung der Herstellung von Platten-Sandwichstrukturen
aus einem Endlosbandblech,
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10 eine
schematische Draufsicht auf einen als Batteriekühlelement verwendeten Einfluid-Wärmeübertrager
mit einer aus zwei Strömungskanalplatten
bestehenden Strömungskanalplatteneinheit,
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11 eine
Draufsicht auf die erste der beiden Strömungskanalplatten des Batteriekühlelementes
von 10 und
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12 eine
Draufsicht auf die zweite Strömungskanalplatte
für das
Batteriekühlelement
von 10.
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Bei
dem in 1 gezeigten Beispiel eines Einfluid-Wärmeübertragers
beinhaltet dieser eine Platten-Sandwichstruktur (1) aus
vier aufeinandergelegten, rechteckförmigen Platten (2 bis 5),
die in der rechten Hälfte
dieser Figur in der Stapelreihenfolge von unten nach oben jeweils
in Draufsicht einzeln dargestellt sind. Die unterste Platte (2)
ist ungelocht und bildet die untere Deckplatte des Platten-Sandwichs.
Die oberste Platte (5) bildet die obere Deckplatte und
ist in einem Seitenbereich mit zwei kreisrunden Durchbrüchen (6, 7)
versehen, die als Zuflußöffnung und
Abflußöffnung für das eine,
durch die Platten-Sandwichstruktur (1) hindurchzuleitende
Fluid dienen. Die beiden zwischen den Deckplatten (2, 5)
liegenden Strömungskanalplatten
(3, 4) sind jeweils mit länglichen Strömungskanal-Durchbrüchen (8, 9)
dergestalt versehen, daß die
Durchbrüche
(8) der einen Strömungskanalplatte
(3) jeweils mit zugehörigen
Durchbrüchen
der anderen Strömungskanalplatte
(4) endseitig überlappen.
Die Gesamtheit dieser Strömungskanal-Durchbrüche bildet
dadurch zwei parallele Strömungspfade
(10, 11), die sich jeweils zwischen einer mit
der Zuflußöffnung (6)
der oberen Deckplatte (5) überlappenden Zuflußstelle (12)
und einer mit der Abflußöffnung (7)
der oberen Deckplatte (5) überlappenden Abflußstelle
(13) erstrecken, wie dies in der linken Hälfte unten
gestrichelt skizziert ist.
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Beide
Strömungspfade
(10, 11) haben in der Projektion auf die Plattenebene
eine U-förmige
Gestalt und nehmen zusammen einen merklichen Bruchteil der gesamten
Plattenfläche
ein. Wird ein Fluid (14) durch diese Sandwichstruktur hindurchgeleitet,
so wird es abschnittweise über
einen jeweiligen Durchbruch hinweg in der oberen (4) und
unteren Strömungskanalplatte
(3), die zusammen eine Strömungskanalplatteneinheit bilden,
geführt,
wobei es jeweils in den Überlappungsbereichen
von einem Durchbruch in der einen zu einem nächsten Durchbruch in der anderen
Strömungskanalplatte übergeht,
wie im linken oberen Teilbild der Figur dargestellt. Die beiden
endseitigen Deckplatten (2, 5) halten das Fluid
(14) innerhalb der Strömungskanalplatteneinheit,
so daß es über die
Länge der
Strömungspfade
(10, 11) hinweg im wesentlichen parallel zur Ebene
der Platten, d.h. senkrecht zur Stapelrichtung, strömt. Die
Deckplatten (2, 5) dienen gleichzeitig als Wärmekontaktplatten
zur Vermittlung eines Wärmeaustauschs
zwischen dem in der Strömungskanalplatteneinheit
strömenden
Fluid und dem Bereich außerhalb
der beiden Deckplatten (2, 5).
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Alle Öffnungen
bzw. Durchbrüche
(6, 7, 8, 9) in den verwendeten
Platten (2 bis 5) sind in einfacher Weise durch
Stanzen herstellbar. Ein technisch aufwendigeres Umformen der Platten
zur Bereitstellung der Strömungskanäle entfällt. Es
ist aus der Figur des weiteren ersichtlich, daß durch die Aufteilung der
beiden Strömungspfade
(10, 11) auf sich geeignet überlappende Strömungskanal-Durchbrüche (8, 9)
in den beiden Strömungskanalplatten
(3, 4) eine höhere Stabilität für letztere
erhalten bleibt, als wenn die beiden Strömungspfade direkt in eine einzige
Platte eingebracht würden.
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In 2 ist
ein weiteres Beispiel eines Einfluid-Wärmeübertragers mit einer aus vier
Platten (18 bis 21) bestehenden Sandwichstruktur
(16) dargestellt. Wie im Beispiel von 1 ist
die untere Deckplatte (18) ungelocht, während die obere Deckplatte (21)
wiederum zwei Öffnungen
(22, 23) beinhaltet, die als Zufluß bzw. Abfluß dienen
und zu diesem Zweck jeweils an einer Stelle mit einem der Strömungskanal-Durchbrüche (24) überlappen,
die in der oberen Strömungskanalplatte
(20) eingebracht sind. Zusammen mit Strömungskanal-Durchbrüchen (25), die
in der unteren Strömungskanalplatte
(19) gebildet sind, entsteht beim Aufeinanderlegen der
beiden Strömungskanalplatten
(19, 20), die zusammen die Strömungskanalplatteneinheit zwischen
den endseitigen Deckplatten (18, 21) bilden, das
im linken unteren Teilbild gezeigte Strömungspfadnetzwerk (17). Letzteres
beinhaltet ausgehend von einem von der Zuflußstelle abführenden und einem zur Abflußstelle hinführenden
Strömungspfadabschnitt
je zwei Verzweigungs- und Vereinigungsstellen. Da hierbei in der
Projektion auf die Plattenebene ein vollständig von Strömungspfadabschnitten
umschlossenes Gebiet (24')
vorliegt, wäre
eine Realisierung dieses Strömungspfadnetzwerks
(17) mittels einer einzigen Strömungskanalplatte nicht möglich. Die
Aufteilung des Strömungspfadnetzwerks
(17) auf die beiden Strömungskanalplatten
(19, 20) führt
hingegen ersichtlich zu zwei Platten, welche sehr einfach durch Stanzen
mit dem benötigten
Muster von Durchbrüchen
(24, 25) versehen werden können.
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3 zeigt
ein Beispiel eines Einstoff-Wärmeübertragers,
bei dem zwei sich nicht kommunizierend überkreuzende Strömungspfade
(26, 27) innerhalb einer Platten-Sandwichstruktur
(25) ausgebildet sind, die aus fünf übereinanderliegenden Platten
(28 bis 32) besteht. Die unterste Platte (28)
bildet wiederum eine ungelochte Deckplatte, während die oberste Platte mit
einer Zuflußöffnung (33)
und einer Abflußöffnung (34)
versehen ist. Die zwischen diesen beiden endseitigen Platten (28, 32)
liegende Strömungskanalplatteneinheit
beinhaltet drei Strömungskanalplatten
(29, 30, 31), die jeweils mit geeigneten Strömungskanal-Durchbrüchen (35, 36, 37)
dergestalt versehen sind, daß durch
deren Überlappung beim
Aufeinanderlegen der drei Platten (29 bis 31) die
beiden im linken unteren Teilbild ersichtlichen Strömungspfade
(26, 27) gebildet werden. Diese Strömungspfade
(26, 27) erstrecken sich in der lateralen Projektion
wiederum U-förmig
zwischen der mit der Zuflußöffnung (33) überlappenden
Zuflußstelle zweier
Durchbrüche
(37) der obersten Strömungskanalplatte
(31) und der mit der Abflußöffnung (34) überlappenden
Abflußstelle
zweier weiterer Strömungskanal-Durchbrüche (37)
dieser obersten Strömungskanalplatte
(31). Dabei überkreuzen
sich die beiden Strömungspfade
(26, 27) an einer Stelle (38) ohne Fluidverbindung
zueinander, wobei in diesem Kreuzungsbereich (38) der eine
Strömungspfad
(26) innerhalb eines Druchbruchs (39) in der oberen
Strömungskanalplatte
(31) verläuft,
während
der andere Strömungspfad
(27) entlang eines Durchbruchs (40) in der unteren
Strömungskanalplatte
(29) verläuft. Die
mittlere Strömungskanalplatte
(30) ist in diesem Kreuzungsbereich (38) ungelocht
und sorgt somit für die
Fluidtrennung der beiden Strömungspfade
(26, 27) im Überkreuzungsbereich
(38), wie aus der Schnittansicht im linken oberen Teilbild
ersichtlich.
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4 zeigt
einen Zweifluid-Wärmeübertrager
mit einer Platten-Sandwichstruktur (42), die aus sieben
Einzelplatten (43 bis 49) aufgebaut ist. Die obersten
vier Platten (46 bis 49) entsprechen in ihrer Anordnung
und Gestaltung genau den vier Platten des Beispiels von 1. Über eine
Zuflußöffnung (50)
und eine Abflußöffnung (51)
in der obersten Deckplatte (49) kann folglich ein erstes
Fluid durch die beiden parallelen Strömungspfade geleitet werden,
die durch die Strömungskanalplatteneinheit
gebildet werden, welche aus den überlappenden
Strömungskanal-Durchbrüchen (52, 53)
der beiden zwischenliegenden Strömungskanalplatten
(47, 48) gebildet werden. Die untere (46)
der vier oberen Platten (46 bis 49) bildet nun
in diesem Beispiel eine Trennplatte, an die sich unterseitig zwei
Strömungskanalplatten
(44, 45) und eine abschließende untere Deckplatte (43)
anschließen.
Diese drei unteren Platten (43 bis 45) sind, wie
aus der rechten Figurenhälfte
zu erkennen, jeweils identisch gestaltet wie ihre bezüglich der
mittigen Trennplatte (46) symmetrischen Gegenstücke in der
oberen Sandwichhälfte,
jedoch jeweils um 180° um
die Plattenquerachse gegenüber diesen
Gegenstücken
verdreht. Somit besitzt die unterste strömungskanalabdeckende Platte
(43) im entgegengesetzten Seitenbereich wie die oberste
Deckplatte (49) eine Zuflußöffnung (54) und eine
Abflußöffnung (55),
die mit entsprechenden Zufluß-
und Abflußstellen
von Durchbrüchen
(56) in der daraufliegenden Strömungskanalplatte (44) überlappen.
Deren Strömungskanal-Durchbrüche (56) überlappen wiederum
mit denjenigen (57) der darüberliegenden Strömungskanalplatte
(45) zur Bildung zweier weiterer paralleler Strömungspfade
(58, 59) in der so geschaffenen unteren Strömungskanalplatteneinheit. Durch
die mittlere, ungelochte Trennplatte (46) bleiben die beiden
Fluide voneinander getrennt, während
Wärme zwischen
den Fluiden über
diese Trennplatte (46) hinweg übertragen werden kann.
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5 zeigt
einen Zweifluid-Wärmeübertrager
mit einer Platten-Sandwichstruktur (61), bei der für jedes
der beiden Fluide mehrere Strömungskanalplatteneinheiten
vorgesehen sind, wobei benachbarte Strömungskanalplatteneinheiten
jeweils von verschiedenen Fluiden durchströmt werden. Endseitig sind eine
untere (62) und eine obere Deckplatte (63) vorgesehen,
von denen die obere eine Zufluß- und
eine Abflußöffnung (64, 65)
in einem Seitenbereich und die untere ebensolche Öffnungen
(66, 67) in einem gegenüberliegenden Seitenbereich
aufweisen. Dazwischen besteht der Plattenstapel aus zwei oder mehr
Strömungskanalplatteneinheiten,
die jeweils aus zwei einzelnen, aneinandergrenzenden Strömungskanalplatten
(68, 69; 70, 71) bestehen und voneinander
jeweils durch eine strömungskanalabdeckende
Platte (72) getrennt sind. Wie im rechten Teilbild zu erkennen,
sind sämtliche
dieser zwischenliegenden Platten (68 bis 71) in
den zwei entsprechenden, gegenüberliegenden
Seitenbereichen mit jeweils einer Verteilerkanalöffnung (73, 74)
und einer Sammelkanalöffnung
(75, 76) versehen, die in Stapelrichtung fluchten
und dadurch zusammen mit den Zuflußöffnungen (64, 66)
bzw. Abflußöffnungen
(65, 67) der äußeren Platten
(62, 63) jeweils einen Verteiler- und Sammelkanal
für die
beiden Wärmeübertragungsfluide
bilden, welche die Platten-Sandwichstruktur getrennt durchströmen. Dabei
ist jeweils eine Verteiler- und eine Sammelkanalöffnung (73, 75; 74, 76)
einer der beiden Strömungskanalplatten
(76, 71) einer Strömungskanalplatteneinheit vom
Ende eines der Strömungskanal-Durchbrüche (77, 78)
gebildet, so daß sie
als Zufluß-
bzw. Abflußstelle
für die
betreffende Strömungskanalplatteneinheit
fungieren.
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Wie
weiter im rechten Teilbild erkennbar, überlappen die Strömungskanal-Durchbrüche (77, 79; 78, 80)
der beiden Platten (68, 69; 70, 71)
einer Strömungskanalplatteneinheit
zur Bildung eines U-förmigen
Strömungspfades
(81, 82). Dabei ist jede Platte (68, 69)
einer Strömungskanalplatteneinheit identisch
gestaltet wie ihr zur zwischenliegenden strömungskanalabdeckenden Platte
(72) symmetrisch im Stapel positioniertes Gegenstück (71, 70)
einer benachbarten Strömungskanalplatteneinheit,
jedoch gegenüber
diesem jeweils um 180° um
die Plattenquerachse verdreht angeordnet, so daß der Strömungspfad (81) der
einen Strömungskanalplatteneinheit
Verbindung zum einen Verteiler- und Sammelkanal und der Strömungspfad
(82) der benachbarten Strömungskanalplatteneinheit Verbindung zum anderen
Verteiler- und Sammelkanal hat. Benachbarte Strömungskanalplatteneinheiten
werden folglich von jeweils unterschiedlichen der beiden Wärmeübertragungsfluide
durchströmt,
wobei Wärme
zwischen den beiden Fluiden über
die jeweilige strömungskanalabdeckende
Platte (72) hinweg übertragen
werden kann. Durch Anordnen mehrerer Paare solcher benachbarter
Strömungskanalplatteneinheiten
mit zwischenliegender strömungskanalabdeckender
Platte wird folglich eine Platten-Sandwichstruktur realisiert, bei der
für zwei
auf entgegengesetzten Stapelseiten zu- und abgeführte Fluide (83, 84)
mehrere parallele Strömungspfade
quer zur Stapelrichtung geschaffen sind, wobei sich die Strömungspfade
für das
eine und das andere Fluid zur Erzielung eines optimalen Wärmeübertragungsverhaltens
abwechseln.
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6 zeigt
einen Zweifluid-Wärmeübertrager
mit einer aus vier Platten (90 bis 93) bestehenden Platten-Sandwichstruktur
(94), bei welcher Zufluß und Abfluß beider Fluide von derselben,
oberen Seite der Sandwichstruktur erfolgen. Zu diesem Zweck sind
in die obere, strömungskanalabdeckende
Platte (93) jeweils eine Zuflußöffnung (95, 96)
und eine Auflußöffnung (97, 98)
in gegenüberliegenden
Eckbereichen eingebracht, während
die untere, strömungsabdeckende
Platte (90) als ungelochte Deckplatte ausgebildet ist.
Zwischen den beiden strömungskanalabdeckenden
Platten (90, 93) befindet sich eine aus zwei Strömungskanalplatten
(91, 92) bestehende Strömungskanalplatteneinheit, wobei
die Strömungskanal-Durchbrüche (99, 100)
in diesen beiden Strömungskanalplatten
(91, 92) so angeordnet sind, daß sie zur
Bildung zweier parallel verlaufender, jedoch voneinander getrennter,
mäanderförmiger Strömungspfade
(101, 102) überlappen.
Wie im linken unteren Teilbild ersichtlich, verlaufen beide Strömungspfade
(101, 102) zwischen je einer Zuflußöffnung (95, 96)
im einen Eckbereich und einer jeweils zugehörigen Abflußöffnung (97, 98)
im gegenüberliegenden
Eckbereich. Auf diese Weise können
sie von zwei Fluiden (103, 104) im Gleichstrom
oder bevorzugt, wie durch die Pfeile angedeutet, im Gegenstrom durchströmt werden.
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In 7 ist
ein Zweifluid-Wärmeübertrager dargestellt,
der eine Platten-Sandwichstruktur (110) aufweist, zu deren
Aufbau lediglich drei Einzelplatten (111, 112, 113)
benötigt
werden. Die unterste strömungskanalabdeckende
Platte (111) ist als ungelochte Platte gestaltet, während in
die obenliegende, strömungskanalabdeckende
Platte (113) in gegenüberliegenden
Eckbereichen jeweils eine Zuflußöffnung (114, 115)
und eine Abflußöffnung (116, 117) eingebracht
sind. Die zwischenliegende Strömungskanalplatte
(112) ist mit zwei mäanderförmigen Strömungskanal-Durchbrüchen (118, 119)
versehen, die abschnittsweise parallel verlaufend, jedoch voneinander
getrennt angeordnet sind und jeweils in gegenüberliegenden Eckbereichen enden,
in denen sie mit kreisrund erweiterten Zufluß- bzw. Abflußstellen
versehen sind, die mit den Zufluß- bzw. Abflußöffnungen (114 bis 117)
der oberen strömungskanalabdeckenden
Platte (113) fluchten. Auf diese Weise können zwei
Fluide (120, 121) im Gleichstrom oder, wie im unteren
linken Teilbild durch die Pfeile angedeutet, bevorzugt im Gegenstrom
durch die Sandwichstruktur quer zur Stapelrichtung hindurchgeleitet
werden.
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In 8 ist
ein Wärmeübertrager
für zwei oder
mehr Fluide gezeigt, bei dem der Zufluß und der Abfluß der Fluide
seitlich an der Platten-Sandwichstruktur (130) erfolgt.
Zu diesem Zweck besteht die Sandwichstruktur (130) aus
einer Abfolge von jeweiligen ungelochten Trennplatten (131, 132, 133),
zwischen denen jeweils eine aus zwei Strömungskanalplatten (134, 135; 136, 137)
bestehende Strömungskanalplatteneinheit
angeordnet ist. Die Strömungskanal-Durchbrüche (138, 139; 140, 141)
der beiden aufeinanderliegenden Platten (134, 135; 136, 137)
einer jeweiligen Strömungskanalplatteneinheit überlappen dabei
jeweils zur Bildung mehrerer geradliniger, paralleler Strömungspfade
(142, 143), siehe das linke untere Teilbild. Die
Strömungspfade
(142, 143) münden
dabei durch entsprechen de Gestaltung der zugehörigen Strömungskanal-Durchbrüche (139, 141) jeweils
einer (135, 137) der beiden Platten (134, 135; 136, 137)
einer Strömungskanalplatteneinheit
offen zu den entsprechenden Seitenkanten hin aus, so daß von diesen
Seiten der Sandwichstruktur der Zufluß und der Abfluß eines
jeweiligen, die betreffende Strömungskanalplatteneinheit
durchströmenden
Wärmeübertragungsfluids
erfolgen können.
Dabei sind im gezeigten Beispiel die Strömungskanal-Durchbrüche (138, 139; 140, 141)
benachbarter Strömungskanalplatteneinheiten
so gestaltet, daß die
zugehörigen Strömungspfade
(142, 143) in der Projektion auf die Plattenebene
senkrecht zueinander verlaufen. Auf diese Weise können durch
je zwei benachbarte Strömungskanalplatteneinheiten
(2) zwei Wärmeübertragungsfluide
(144, 145) durch eine zwischenliegende Trennplatte
getrennt, über
welche die Wärmeübertragung
zwischen den Fluiden erfolgt, im Kreuzstrom hindurchgeleitet werden.
Zufluß und
Abfluß der
Fluide erfolgen über
die beiden Paare gegenüberliegenden
Plattenseiten, wobei auf einer jeweiligen Plattenseite nur die Strömungskanal-Durchbrüche derjenigen
Strömungskanalplatteneinheiten
offen ausmünden,
die von dem dort zufließenden
bzw. abfließenden
Fluid durchströmt
werden sollen, während
die Strömungskanalplatten
der anderen Strömungskanalplatteneinheiten
auf diesem Seitenbereich geschlossen sind. Günstig ist beispielsweise eine
Anordnung, bei der jeweils jede übernächste Strömungskanalplatteneinheit
vom selben Fluid durchströmt
wird.
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9 zeigt
ein Herstellungsverfahren, das sich zur Fertigung der beschriebenen
und weiterer erfindungsgemäßer Platten-Sandwichstrukturen
alternativ zum Aufeinanderstapeln einzelner Platten gleicher oder
unterschiedlicher Plattendicke eignet. Bei diesem Verfahren wird
zunächst
in einem in der Figur oben rechts angedeuteten ersten Schritt ein Endlosbandblech
durch Stanzen in geeigneter Weise mit den erforderlichen Durchbrüchen versehen.
Anschließend
wird, wie im mittleren Figurenteil dargestellt, das gelochte Endlosbandblech
(150) so gefaltet, daß die
gewünschten
Blechplattenabschnitte übereinander
zu liegen kommen. Die entstandene Blechplattenschichtung (151)
wird dann durch Anwenden einer Druckkraft (D) zur gewünschten
Platten-Sandwichstruktur (152) zusammengepreßt, wonach
die aneinandergrenzenden Blechplattenabschnitte fluiddicht verbunden
werden, z.B. je nach Werkstoff und Anforderungen durch Löten, Kleben oder
Schweißen.
Mit diesem Verfahren läßt sich
die gesamte Platten-Sandwichstruktur aus einem einzigen Ausgangsbauteil
fertigen.
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Die
genannten Verbindungstechniken eignen sich in gleicher Weise zur
fluiddichten Verbindung der Platten bei Herstellung der Sandwichstruktur
durch Übereinanderlegen
einzelner Platten. In jedem Fall können die Plattenoberflächen geeignet
behandelt werden, z.B. durch Lotplattieren, Klebebeschichten, etc..
Als Plattenmaterial können
Metalle, Kunststoffe oder Keramik verwendet werden. Die endseitigen
Deckplatten können
jeweils geeignet beschichtet, z.B. emailliert, sein. Die Öffnungen
bzw. Durchbrüche
in den Blechplatten können
außer durch
Stanzen auch durch Nibbeln oder Laserschneiden und dergleichen eingebracht
werden. Sich überlappende
Strömungskanal-Durchbrüche angrenzender
Strömungskanalplatten
brauchen nicht unbedingt eine geradlinige, kollineare Gestalt haben,
sondern können
alternativ als geneigte, geradlinige Abschnitte, als Halbkreisbögen oder
als kreisrunde Öffnungen gestaltet
sein, so daß sich
durch deren Überlappung zickzackförmige, schlangenlinienförmige oder
sich durch versetzte kreisrunde Öffnungen
fortsetzende Strömungspfade
ergeben. Zur Gewichtseinsparung können die Platten zudem mit
Blindöffnungen
versehen sein, die keine Fluidströmungsfunktion erfüllen und
von den Durchbrüchen
bzw. Öffnungen
mit Fluiddurchströmfunktion
getrennt sind.
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10 zeigt
in Draufsicht einen Einfluid-Wärmeübertrager
in Form eines Batteriekühlelementes
mit einer aus vier Platten bestehenden Sandwichstruktur, die nach
Art des Beispiels von 1 aufgebaut ist. Speziell sind
eine untere, ungelochte Deckplatte und eine obere, mit einer Zuflußöffnung (150)
und einer Abflußöffnung (151)
versehene Deckplatte vorgesehen, zwischen denen sich eine aus zwei
Platten bestehende Strömungskanalplatteneinheit
befindet. Die beiden zugehörigen
Strömungskanalplatten
sind in 11 und 12 dargestellt.
Beide enthalten eine mit der Zuflußöffnung (150) der oberen
Deckplatte korrespondierende Zuflußstelle (152, 154)
sowie eine mit der Abflußöffnung (151)
der oberen Deckplatte korrespondierende Abflußstelle (153, 155).
Von den Zufluß- und Abflußstellen
(152 bis 155) aus erstrecken sich jeweils drei
Verteilerstränge
(156, 157), und in die jeweilige Abflußstelle
(153, 155) münden
entsprechend jeweils drei Sammelstränge (158, 159). Über die
gesamte rechteckige Fläche
der jeweiligen Strömungskanalplatte hinweg
sind zugehörige,
voneinander getrennte, längliche
Strömungskanal-Druchbrüche (160, 161) derart
eingebracht, daß sich
diese Durchbrüche
beim Aufeinanderlegen der beiden Strömungskanalplatten zu einer
Serie ineinanderliegender U-förmiger
Strömungspfade
(162) überlappen,
die mit ihren offenen Enden jeweils in einen der durch fluchtende Überlappung
der beiden einzelnen Verteiler- bzw.
Sammelstränge
(156, 157; 158, 159) gebildeten
Verteiler- bzw.
Sammelstränge
(163, 164) der Strömungskanalplatteneinheit münden, wie
aus 10 ersichtlich. Mit dieser Struktur kann eine
Batterie mittels Hindurchleitung eines Kühlfluids durch die Platten-Sandwichstruktur
effektiv gekühlt
werden, wobei der Wärmeübertrager
in diesem Fall als Wärmesenke
dient.
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Weitere
Anwendungsfälle
der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
mit Platten-Sandwichstruktur sind in Kühlflächen für anderweitige Zwecke, z.B. zur
Kühlung
elektronischer Bauelemente, sowie in Heizflächen beispielsweise für Fußböden, zu
sehen. Die Wärme
wechselt dabei im wesentlichen über Wärmeleitung
bzw. Wärmestrahlung
in oder aus dem Wärmeübertrager
bzw. zwischen verschiedenen hindurchgeführten Wärmeübertragungsfluiden.