DE69612664T2

DE69612664T2 - Plattenwärmetauscher mit gewellten oberflächen

Info

Publication number: DE69612664T2
Application number: DE69612664T
Authority: DE
Inventors: S. Cheong
Original assignee: Long Manufacturing Ltd
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: AU5682696A; CA2150437C; EP0828981A1; AU693694B2; ES2158313T3; BR9608494A; ATE200928T1; EP0828981B1; DE69612664D1; WO1996038700A1; US5692559A; JP2920696B2; CA2150437A1; JPH10508939A

Description

FELD DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Plattenstapelwärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1. Ein solcher Wärmetauscher ist aus DE-A-26 57 308 bekannt.
In modernen Industrien, wie etwa der Automobilindustrie, wo Wärmeaustauscher benötigt werden, ist es sehr wichtig geworden, Wärmeaustauscher kleiner oder kompakter zu gestalten, mit hoher Wärmeaustauscheffizienz, mit niedrigem Strömungswiderstand, sowohl intern als auch extern, und mit einem niedrigen Druckabfall beim Durchgang der Fluide durch die Wärmetauscher. Eine der meistversprechenden Konstruktionen zur Erreichung all dieser gewünschten Resultate sind Wärmetauscher die aus gestapelten Plattenpaaren hergestellt sind. Ein Beispiel für einen solchen Wärmetauscher ist in der deutschen Patentveröffentlichung DE-A- 26 57 308 dargestellt, wobei die Oberflächen der Platten, die die Plattenpaare bilden, gewellt sind. Diese Wellen liegen in Form von schräg ausgerichteten Rippen oder Nuten vor, die darin gebildet sind. Diese Wellen erfüllen vornehmlich zwei Funktionen, nämlich die Wärmeübertragungseigenschaften der Platten zu verbessern und das Verbinden der Platten miteinander zu unterstützen und zu vereinfachen, so dass der Wärmetauscher den Innendrücken, die auftreten können, widerstehen kann.
Eine Schwierigkeit bei den Plattenpaarwärmetauschern mit sich kreuzenden Rippen, wie sie in der Vergangenheit hergestellt wurden, besteht jedoch darin, dass sie schwer herzustellen sind, insbesondere wenn die Platten aus Aluminium hergestellt sind. Das Problem besteht darin, dass die sich kreuzenden Rippen nicht ideal zueinander passen, was dazu führt, dass die Plattenpaare während der Verbindungsprozesse der Platten und der Plattenpaare verrutschen oder sich gegeneinander verschieben. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Verbindung mit einer Verminderung der Festigkeit des Wärmetauschers oder sogar zu Fehlern, wie etwa Undichtigkeiten. In extremen Fällen können die Herstellungstoleranzen nicht mehr auf befriedigendem Niveau aufrechterhalten werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung setzt eine verbesserte asymmetrische Rippengestaltung ein, die viele der Herstellungsprobleme des Standes der Technik überwindet, mit dem überraschenden Ergebnis, dass sich die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers ebenfalls verbessert.
Gemäß der Erfindung wird ein Plattenstapelwärmetauscher bereitgestellt mit einer Vielzahl von gestapelten Plattenpaaren, wobei jedes Plattenpaar eine erste und zweite Platte aufweist, die miteinander verbundene Randbereiche und zentrale ebene Bereiche haben, die auf Abstand zueinander liegen, um einen Fluiddurchgang dazwischen zu bilden, wobei jedes Plattenpaar auf Abstand zueinander liegende Eingangs- und Ausgangsöffnungen aufweist, wobei die Öffnungen zum Durchfluss von Fluid durch die Fluiddurchgänge miteinander verbunden sind, wobei die zentralen ebenen Bereiche darin gebildete schräg gerichtete parallele Rippen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen auf jeder Platte eines Plattenpaars asymmetrisch angeordnet sind, so dass bei Rückseite-an-Rückseite liegenden Platten benachbarter Plattenpaare jede Rippe an einer Platte nicht mehr als zwei Rippen der benachbarten Platte der Rückseite-an-Rückseite liegenden Platten berührt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Plattenstapelwärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Platte jedes Plattenpaars;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die zweite Platte jedes Plattenpaars ist;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine typische Platte aus dem Stand der Technik ist, die verwendet wurde, um Plattenpaare eines Plattenstapelwärmetauschers herzustellen;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 aus Fig. 2 ist;
Fig. 6 eine vergrößerte Draufsicht auf einen Bereich eines Plattenpaares ist, die das Überkreuzen der Rippen der zusammengefügten Platten zeigt;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 aus Fig. 1 ist;
Fig. 8 eine Draufsicht ähnlich wie Fig. 6 ist, die aber das Muster der Rippenüberkreuzungen der Platten aus dem Stand der Technik wie in Fig. 4 gezeigt darstellt; und
Fig. 9 einen vertikalen Schnitt ähnlich Fig. 7 zeigt, der aber gestapelte Plattenpaare aus den Platten gemäß Stand der Technik nach Fig. 4 zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Es wird zunächst auf Fig. 1 bis 3 Bezug genommen, wobei eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung in Fig. 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Wärmetauscher 10 ist aus einer Vielzahl von gestapelten Plattenpaaren 12, einer oberen Trägerwanne 14 und einer unteren Trägerwanne 16 gebildet. Die obere Trägerwanne 14 hat aufrechtstehenden Flansch 18 mit Befestigungslöchern 20 zur Anbringung des Wärmetauschers 10 an einem gewünschten Ort. Die obere und untere Transportwanne 14, 16 sind jedoch nicht wesentlich für den Wärmetauscher 10 und können auf Wunsch auch fortgelassen werden. In ähnlicher Weise kann der aufrechtstehende Flansch 18 durch irgendeine andere geeignete Anordnung zur Anbringung des Wärmetauschers 10 ersetzt werden.
In Automobilanwendungen wird der Wärmetauscher 10 typischerweise zum Kühlen von Motor- oder Kupplungsöl verwendet und ist üblicherweise vor dem normalen Kühler angebracht, der Teil des Motorkühlsystems ist. Eingangs- und Ausgangsstutzen 22, 24 sind an der oberen Trägerwanne 14 angebracht und mit Zufluss- und Abflussölleitungen (nicht gezeigt) für den Durchgang von zu kühlendem Öl durch den Wärmetauscher 10 verbunden. Luft strömt zwischen den Plattenpaaren quer durch den Wärmetauscher 10, um das durch den Wärmetauscher 10 strömende Öl zu kühlen.
Fig. 2 und 3 zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Platten, aus denen sich jedes Plattenpaar 12 zusammensetzt. Fig. 2 zeigt eine erste Platte 26, die eine obere Platte sein könnte, und Fig. 3 zeigt eine zweite Platte 28, die die untere Platte sein könnte. Die Platten 26, 28 haben umlaufende Randbereiche 30, 32, die miteinander verbunden sind, um Plattenpaare 12 zu bilden. Die Platten 26, 28 haben auch ebene zentrale Bereiche 34, 36 (siehe Fig. 5), die auf Abstand zueinander liegen, um einen Fluiddurchgang zwischen den Platten zu bilden. Tatsächlich sind die zentralen ebenen Bereiche 34, 36 mit einer Vielzahl von schräg ausgerichteten, parallelen Rippen 38, 40 versehen. In Fig. 2 ist die erste Platte 26 in der Ansicht auf die äußere Oberfläche dargestellt, so dass die Rippen 38 aus der Figurenebene vorstehen. In Fig. 3 ist die Platte 28 in einer Ansicht auf die innere Oberfläche dargestellt, so dass die Rippen 40 in die Figurenebene hinein verlaufen. In Fig. 3 würden die Rippen 40 tatsächlich als Vertiefungen oder Nuten in der zweiten Platte 28 erscheinen. Die erste Platte 26 wird auf die zweite Platte 28 gelegt, um eines der Plattenpaare 12 zu bilden.
Die Platten 26, 28 sind auch mit Endvorsprüngen 49, 44 gebildet, in denen jeweils Eingangsöffnungen 46 bzw. Ausgangsöffnungen 48 gebildet sind. Wenn die Plattenpaare 12 gestapelt sind, sind alle Eingangsöffnungen in Überdeckung ausgerichtet und kommunizieren mit dem Eingangsstutzen 22, und alle Ausgangsöffnungen 48 sind in Überdeckung ausgerichtet und kommunizieren mit dem Ausgangsstutzen 24. Auf diese Weise bilden alle Endvorsprünge 42 eine Eingangsverteilerleitung und alle Endvorsprünge 44 ein Ausgangssammelrohr, so dass Fluid parallel durch alle Plattenpaare 12 fließt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass einige der Eingangsöffnungen 46 und einige der Ausgangsöffnungen 48 auch ausgewählt geschlossen oder fortgelassen sein könnten, wie von Fachleuten anerkannt werden wird, so dass auch ein Fluidfluss sequentiell durch alle Plattenpaare 12 oder in irgendeiner Kombination parallel und sequentiell schließen kann.
Die Rippen 38, 40 in jeder Platte 26, 28 sind asymmetrisch angeordnet. Das bedeutet, dass die Rippen 38 in Platte 26 näher an der Eingangsöffnung 46 liegen als an der Ausgangsöffnung 48. In ähnlicher Weise liegen die Rippen 40 in Platte 28 näher an der Ausgangsöffnung 48 als an der Eingangsöffnung 46. Der Zweck dieser Anordnung wird weiter unten erläutert. Die Platten 26, 28 sind jedoch tatsächlich identisch insoweit, als dass, wenn eine der Platten umgedreht und um 180º gedreht wird, sie gleich aussehen würden.
Es wird als nächstes auf Fig. 6 Bezug genommen, wobei eine untere oder zweite Platte 28 eines Plattenpaars 12 gestapelt auf eine obere oder erste Platte 26 eines zweiten Plattenpaars 12 gezeigt ist. Daraus ist zu erkennen, dass die Rückseite-an-Rückseite liegenden Platten eines benachbarten Plattenpaars so ausgestaltet sind, dass jede Rippe einer Platte nicht mehr als zwei Rippen der benachbarten Platte dieser Rückseite-an-Rückseite liegenden Platten berührt. Mit anderen Worten hat jede Rippe ein stromaufwärtsliegendes Ende 52 und ein stromabwärtsliegendes Ende 54, wobei die stromaufwärtsliegenden Enden 52 der Rippen an einer Platte in Kontakt mit den stromabwärtsliegenden Enden 54 der Rippen an der benachbarten Platte der Rückseite-an-Rückseite liegenden Platten sind. Dies wird als Zweipunktkontakt der Rippen an benachbarten Platten bezeichnet. Demgegenüber berührt im Stand der Technik wie in den Fig. 4 und 8 dargestellt, jede Rippe einer Platte drei Rippen der benachbarten Platte, was zu einem Dreipunktkontakt zwischen den Rippen der benachbarten Platten führt. Ein anderer Unterschied besteht darin, dass bei den herkömmlichen Platten wie in Fig. 4 gezeigt die Rippen symmetrisch angeordnet sind.
Der Dreipunktkontakt der herkömmlichen Platten verursacht Probleme bei der Herstellung, da es schwierig ist, den Kontakt an allen drei Punkten herzustellen. Da sich ferner die Form- und Stanzwerkzeuge, die zur Herstellung der Platten verwendet werden, abnutzen, neigen die Rippen dazu, kürzer zu werden, oder die Enden werden runder, mit dem Ergebnis, dass die Rippen schließlich nur Kontakt an den mittleren Punkten haben. Der Zweipunktkontakt wie in Fig. 65 dargestellt überwindet diese Schwierigkeiten.
Es wird wieder auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen; die Rippen 38, 40 sind in einem schrägen Winkel α ausgerichtet, der zwischen 18º und 32º liegt. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 20º und 24º. Die Breite der Platten in Querrichtung ist vorzugsweise zwischen 16 und 25 mm. Für eine Breite von 20 mm ist der bevorzugte Winkel α etwa 240, und für eine Breite von etwa 25 mm ist der bevorzugte Winkel etwa 18º. Die Platten 26, 28 sind vorzugsweise aus lotbeschichtetem Aluminium mit einer Dicke zwischen 0,4 und 0,8 mm hergestellt. Die Rippenhöhe, wie in Fig. 5 gezeigt, beträgt vorzugsweise weniger als 7 mm.
Es wird als nächstes auf Fig. 7 Bezug genommen in Gegenüberstellung mit der herkömmlichen Anordnung aus Fig. 9, wobei die Querschnitts-Durchflussfläche innerhalb des Plattenpaars 12 etwa 17% größer ist bei gleicher Rippenhöhe als dies in der herkömmlichen Anordnung wie in Fig. 9 gezeigt der Fall war. Ferner ist die Variation in der Größe der Durchflussöffnungen auch kleiner als in der herkömmlichen Ausführungsform nach Fig. 9. Das Ergebnis dessen ist, dass der Öldurchflusswiderstand und der Druckabfall in den Plattenpaaren 12 geringer als in der herkömmlichen Anordnung ist.
Beim Zusammenbau des Wärmetauschers 10 werden Platten 26, 28 zu gestapelten Plattenpaaren zusammengesetzt, wodurch der Zweipunktrippenkontakt wie in Fig. 6 gezeigt hergestellt wird. Dabei müssen die Platten 26, 28 in richtige Ausrichtung zueinander gebracht werden, sonst kommen die Eingangsöffnungen 46 und Ausgangsöffnungen 48 nicht richtig in Überdeckung. Wenn das geschieht, kann es einfach dadurch korrigiert werden, dass eine der Platten so gedreht wird, dass sich ihre Enden vertauschen. Dies geschieht deshalb, weil die Platten 26, 28 asymmetrisch sind, wie oben beschrieben. Um die richtige Ausrichtung der Platten 26, 28 beim Zusammenbau zu unterstützen, können eine oder mehrere der Ecken 60 der Platten abgeschrägt werden, so dass sich die abgeschrägten Ecken übereinander legen, während die Platten gestapelt werden. Wenn die Plattenpaare 12 aufgestapelt sind, werden auch die obere und die untere Trägerwanne 14 und 16 in Position gebracht. Die Platten werden dann zusammengelötet, um den Wärmetauscher 10 fertigzustellen.

Claims

1. Plattenwärmetauscher, der mehrere geschichtete Plattenpaare (12) aufweist, wobei jedes Plattenpaar eine erste und zweite Platte (26, 28) aufweist, die miteinander verbundene Randbereiche (30, 32) und zentrale ebene Bereiche (34, 36) aufweisen, die Abstand voneinander haben, um einen Fluiddurchgang dazwischen zu bilden, wobei jedes Plattenpaar auf Abstand zueinander liegende Eingangs- und Ausgangsöffnungen (46, 48) aufweist, wobei die Öffnungen miteinander verbunden sind zum Durchfluss von Fluid durch die Fluiddurchgänge, wobei die zentralen ebenen Bereiche darin gebildete schräg gerichtete parallele Rippen (38, 40) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen auf jeder Platte eines Plattenpaars asymmetrisch angeordnet sind, so dass bei Rückseite an Rückseite liegenden Platten benachbarter Plattenpaare jede Rippe an einer Platte nicht mehr als zwei Rippen der benachbarten Platte der Rückseite an Rückseite liegenden Platten berührt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rippen stromaufwärts- und stromabwärtsliegende Enden (52, 54) haben und wobei die stromaufwärtsliegenden Enden (52) der Rippen einer Platte die stromabwärtsliegenden Enden (54) der Rippen an der benachbarten Platte der Rückseite an Rückseite liegenden Platten berühren.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rippen in einem schrägen Winkel zwischen 18º und 32º ausgerichtet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Breite der Platten in Querrichtung zwischen 16 und 25 mm liegt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rippen in einem schrägen Winkel zwischen 20º und 24º ausgerichtet sind und die Breite der Platten in Querrichtung etwa 20 mm beträgt.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rippen in einem schrägen Winkel von etwa 18º ausgerichtet sind und die Breite der Platten in Querrichtung etwa 25 mm beträgt.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei die Platten aus Aluminium gebildet sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei die aus Aluminium gebildeten Platten eine Dicke zwischen 0,4 und 0,8 mm haben und die Höhe der Rippen weniger als 7 mm beträgt.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rippen (38, 40) asymmetrisch ausgerichtet sind, so dass sie näher an einer der Eingangs- und Ausgangsöffnungen (46, 48) als an der anderen der Eingangs- und Ausgangsöffnungen liegen.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Platten (26, 28) abgeschrägte Ecken (60) zur Ausrichtung der asymmetrisch angeordneten Rippen auf den ersten und zweiten Platten aufweisen.