DE202009017100U1

DE202009017100U1 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE202009017100U1
Application number: DE200920017100
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2019-12-19

Abstract

Plattenwärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen mindestens zwei Fluiden A und B, umfassend mindestens zwei Strömungsräume mit jeweils mindestens einem Strömungskanal für die mindestens zwei Fluide A und B, und mindestens drei einen Plattenstapel bildende, zueinander beabstandete, profilierte, metallische Wärmetauscherplatten (1), wobei die Strömungskanäle zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten (1) gebildet und im Hinblick auf ihre räumliche Aufeinanderfolge im Plattenstapel abwechselnd den mindestens zwei Strömungsräumen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere, Wärme übertragende Bereich (3) des Plattenstapels aus metallischen Wärmetauscherplatten (1) und der äußere Abdichtungsbereich (4) aus Kunststoff besteht.

Description

Die Neuerung betrifft einen Plattenwärmetauscher für die Wärmeübertragung zwischen mindestens zwei Fluiden A und B nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
Ein solcher Plattenwärmetauscher umfasst in der Regel zwei Strömungsräume für die zwei Fluide A und B. Er wird aus mindestens drei, in der Regel zwölf und mehr metallischen Wärmetauscherplatten zusammengesetzt, die einen Plattenstapel bilden. Die Wärmetauscherplatten sind im Plattenstapel zueinander beabstandet. Je zwei benachbarte Wärmetauscherplatten begrenzen einen zwischen ihnen angeordneten Strömungskanal und die im Plattenstapel räumlich aufeinander folgenden Strömungskanäle sind abwechselnd den mindestens zwei Strömungsräumen zugeordnet. Dabei weisen die Wärmetauscherplatten in der Regel vier Aussparungen für die Zuleitung, Durchleitung und/oder Ableitung der Fluide A und B in die einzelnen Strömungskanäle auf.
Die geometrischen Gestaltungen der verschiedenen äußeren und/oder mittleren Wärmetauscherplatten eines Plattenstapels können sich je nach Auslegung des Wärmetauschers und Anschlusssituation an fluidführende Rohrleitungen voneinander unterscheiden. Es sind beispielsweise wellenartig profilierte Wärmetauscherplatten bekannt, wobei ihre Profilierung mehrere im Wesentlichen fischgrätenartig angeordnete, erhöhte Rippen umfasst, die der Erzeugung einer Strömungsturbulenz in einer Strömung der mindestens zwei Fluide A und B durch den Plattenwärmetauscher dienen. Das Fischgrätenmuster kann auch als pfeilförmig oder V-förmig beschrieben werden, wobei sich eine Mehrzahl von aufeinander folgenden, V-förmigen Rippen in etwa quer über die Fläche der Wärmetauscherplatten erstreckt. Die Wärmetauscherplatten werden in einem Prägeverfahren oder Tiefziehverfahren in der Regel aus nichtrostendem Stahlblech hergestellt.
Bei der Montage des Plattenstapels kommen die Wärmetauscherplatten hinsichtlich ihrer fischgrätenartigen Profilierung gegensinnig aufeinander zu liegen. Dadurch stellt sich eine hochkomplexe, dreidimensionale turbulente Strömung durch die Strömungskanäle ein, wobei der Grad der Turbulenz die Schnelligkeit eines Temperaturausgleichs innerhalb der Fluidströmung eines Strömungskanals und damit den Wirkungsgrad des Plattenwärmetauschers bestimmt. Benachbarte Wärmetauscherplatten berühren sich gegenseitig an den höchsten Stellen ihrer Rippen. Durch die gegensinnige Montage ergeben sich zwischen den sich kreuzenden Rippen benachbarter Platten punktförmige Berührungsstellen.
Bei einer Plattenwärmetauscher-Bauart, nämlich der gelöteten Bauart, sind die Platten an diesen Berührungs- oder Kontaktstellen miteinander verlötet, was dem Wärmetauscher eine hohe Stabilität verleiht. Darüber hinaus sind die Wärmetauscherplatten auch umfänglich miteinander verlötet. Dies ist die wichtigere Verbindung, denn dadurch sind die Strömungskanäle daher nach außen dicht. Weisen alle Rippen den gleichen Querschnitt auf, so sind auch die Querschnitte der Strömungskanäle gleich. Daraus folgt, dass bei Fluidvolumenströmen gleicher Größe die Druckdifferenzen über den beiden Strömungsräumen ebenfalls gleich sind. Solche Plattenwärmetauscher nennt man symmetrisch.
Die EP 1 630 510 B1 offenbart einen Plattenwärmetauscher für den Wärmetausch zwischen primären und sekundären Fluiden mit fischgrätenartig angeordneten Erhöhungen und Vertiefungen (Rippen) auf den Wärmetauscherplatten, wobei die Vertiefungen wenigstens teilweise alternativ aus zwei unterschiedlichen Presstiefen bestehen. In anderen Worten weist eine entsprechende Wärmetauscherplatte Rippen zweier unterschiedlicher Höhen auf. So kann auf eine niedrige Rippe wieder eine niedrige oder auch eine hohe Rippe folgen, und umgekehrt. Mit diesem Design wird beabsichtigt, die Anzahl der Berührungsstellen zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten zu vermindern und dadurch die Größe der effektiven Wärmeübertragungsfläche bei gleichem Wärmetauscherbauraum zu erhöhen. Darüber hinaus wird mit der beschriebenen Profilierung erreicht, dass bei der konstruktiven Auslegung eines solchen Wärmetauschers die Druckdifferenzen über den beiden Strömungsräumen unabhängig von den Fluidvolumenströmen gewählt werden können. Solche Plattenwärmetauscher nennt man asymmetrisch.
Neben der teilweise flächigen Abdichtung am Rand durch Löten kommen im Stand der Technik auch Schweißverfahren sowie das Einlegen von Dichtungen zur Anwendung. Gerade bei den häufig eingesetzten Vakuum-Lötverfahren ist der Aufwand relativ hoch. Neben den erforderlichen Temperaturen bis in den Bereich von 1000°C spielt auch der zeitliche Prozessaufwand eine Rolle. Andererseits ist auch bekannt, dass die Herstellung von kompletten Wärmetauscherplatten aus Kunststoff sehr viele Nachteile mit sich bringt. Besonders die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Polymermaterialien, welche um den Faktor fünf unterhalb der Wärmeleitfähigkeit von Metallen liegt, ist dazu zu nennen.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, Aufbau und Fertigung eines Plattenwärmetauscher zu optimieren.
Neuerungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der neuerungsgemäße Plattenwärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass der innere, Wärme übertragende Teil des Plattenstapels aus metallischen Wärmetauscherplatten und der äußere Abdichtungsbereich aus Kunststoff besteht.
In einer ersten Ausführungsform der Neuerung erstreckt sich eine Wärmetauscherplatte mit ihrem metallischen Teil über den inneren, Wärme übertragenden Bereich und besteht im äußeren Abdichtungsbereich entlang des Umfangs aus Kunststoff. Dabei sind die Wärmetauscherplatten des Plattenstapels über den äußeren Abdichtungsbereich aus Kunststoff miteinander verbunden.
Vorteilhafterweise werden die Wärmetauscherplatten des Plattenstapels über den äußeren Abdichtungsbereich aus Kunststoff beim Fügen unter Wärmezufuhr miteinander verbunden, wobei die Temperatur etwa dem Schmelzpunkt des Kunststoffes entspricht, um zumindest in den Berührungsbereichen einen Materialverbund zu erzielen.
In einer ersten Ausführungsform erstrecken sich alle Wärmetauscherplatten mit ihrem metallischen Teil über den inneren, Wärme übertragenden Bereich und der gesamte Plattenstapel ist nach dem Fügen im äußeren Abdichtungsbereich mit einem Kunststoff eingefasst und damit abgedichtet.
An Fügestellen, die im metallischen Teil, also im inneren, Wärme übertragenden Bereich der Wärmetauscherplatten notwendig sind, kommen alternative Fügeverfahren, wie zum Beispiel Klebetechniken, zum Einsatz. Die Verbindung der Platten untereinander erfolgt somit durch Klebstoff. Damit können Hochtemperatur-Fügeprozesse vermieden werden, so dass Energie- und Zeiteinsparungen möglich sind. Auch die aus Lötprozessen ansonsten bekannten Reaktionen des Kupfer-Lotes können in diesem Fall ausgeschlossen werden.
Eine zusätzliche Ausführungsform sieht vor, dass mindestens ein Temperatursensor und/oder eine Aufnahmevorrichtung für einen Temperatursensor, beispielsweise eine Tauchhülse, in eine metallische Wärmetauscherplatte und/oder den äußeren Abdichtungsbereich aus Kunststoff integriert ist. Damit wird die Wärmetauschertemperatur an einer definierten Stelle, zum Beispiel im Bereich eines Anschlusses, erfasst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Kunststoff mit Zusatzstoffen, sogenanntem Composit-Material, versehen sein. Auch kann er mittels Faserzusätzen verstärkt werden. Ein Kunststoff-Spritzgussverfahren erscheint besonders geeignet zum Aufbringen des Kunststoffes auf eine Wärmetauscherplatte oder zum Umspritzen des gesamten Plattenstapels.
Mit dieser Neuerung werden Aufbau und Fertigung eines Plattenwärmetauscher optimiert. Die vorteilhaften Eigenschaften metallischer Werkstoffe werden durch das Ausbilden einer Wärmetauscherplatte nach herkömmlicher Art im Wärme austauschenden inneren Bereich ausgenutzt. In Kombination damit führt die Verwendung von Kunststoffen im äußeren, umgebenden Abdichtungsbereich zu einer vorteilhaften Gewichtsreduktion für das gesamte Bauteil. Auch werden durch die geringere Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen Wärmeverluste nach außen minimiert. Weiterhin entstehen Vorteile in der Fertigung, insbesondere bezüglich Zeit und Kosten, durch den Entfall des relativ aufwändigen Lötvorgangs. Alle vorgeschlagenen Neuerungen erfolgen bei mindestens gleichbleibender mechanischer Stabilität des Plattenwärmetauschers gegenüber herkömmliche Konstruktionsvarianten. Erfasst sind durch die Erfindung nicht nur herkömmliche, durch Umformung gefertigte Blech-Wärmetauscherplatten, sondern auch durch alternative Verfahren, wie beispielsweise Metallspritzguss, hergestellte.
Die Zeichnungen stellt ein Ausführungsbeispiel der Neuerung dar. Es zeigt jeweils eine Wärmetauscherplatte eines Plattenwärmetauschers in der Draufsicht:
1 nach dem Stand der Technik und
2 gemäß der Neuerung
Der Plattenwärmetauscher besteht aus mehreren metallischen Wärmetauscherplatten 1, wie in 1 und 2 dargestellt. Diese weisen vier Aussparungen 2 für die Zuleitung, Durchleitung und/oder Ableitung von Fluiden in einzelne Strömungskanäle auf.
Gemäß 1 ist die Wärmetauscherplatte 1 nach herkömmlicher Art aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. 2 zeigt die Neuerung, nämlich den inneren, Wärme übertragenden Bereich 3 einer Wärmetauscherplatte 1 aus einem metallischen Werkstoff sowie einen äußeren Abdichtungsbereich 4 aus Kunststoff.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1630510 B1 [0006]

Claims

Plattenwärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen mindestens zwei Fluiden A und B, umfassend mindestens zwei Strömungsräume mit jeweils mindestens einem Strömungskanal für die mindestens zwei Fluide A und B, und mindestens drei einen Plattenstapel bildende, zueinander beabstandete, profilierte, metallische Wärmetauscherplatten (1), wobei die Strömungskanäle zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten (1) gebildet und im Hinblick auf ihre räumliche Aufeinanderfolge im Plattenstapel abwechselnd den mindestens zwei Strömungsräumen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere, Wärme übertragende Bereich (3) des Plattenstapels aus metallischen Wärmetauscherplatten (1) und der äußere Abdichtungsbereich (4) aus Kunststoff besteht.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Wärmetauscherplatte (1) mit ihrem metallischen Teil über den inneren, Wärme übertragenden Bereich (3) erstreckt und im äußeren Abdichtungsbereich (4) entlang des Umfangs aus Kunststoff besteht.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (1) des Plattenstapels über den äußeren Abdichtungsbereich (4) aus Kunststoff miteinander verbunden sind.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (1) des Plattenstapels über den äußeren Abdichtungsbereich (4) aus Kunststoff beim Fügen unter Wärmezufuhr miteinander zu verbinden sind, wobei die Temperatur etwa dem Schmelzpunkt des Kunststoffes entspricht.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Wärmetauscherplatten (1) mit ihrem metallischen Teil über den inneren, Wärme übertragenden Bereich (3) erstrecken und der gesamte Plattenstapel nach dem Fügen im äußeren Abdichtungsbereich (4) mit einem Kunststoff eingefasst und abgedichtet ist.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (1) an Fügestellen, die im metallischen Teil, also im inneren, Wärme übertragenden Bereich (3) notwendig sind, durch Klebstoff miteinander verbunden sind.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor und/oder eine Aufnahmevorrichtung für einen Temperatursensor in eine metallische Wärmetauscherplatte (1) und/oder den äußeren Abdichtungsbereich (4) aus Kunststoff integriert ist.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit Zusatzstoffen, sogenanntes Composit-Material, versehen ist, und/oder dass er mittels Faserzusätzen verstärkt ist.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kunststoff-Spritzgussverfahren zum Aufbringen des Kunststoffes auf eine Wärmetauscherplatte (1) oder zum Umspritzen des gesamten Plattenstapels vorgesehen ist.