Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher und insbesondere
Maßnahmen zur Verringerung eines Druckverlustes einer Flüssigkeit.
Allgemeiner Stand der Technik
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Verschiedene Arten von Wärmetauschern sind herkömmlich in Klimaanlagen,
Kälteanlagen, Kühlsystemen und dgl. eingesetzt worden. Unter diesen
Wärmetauschern ist beispielsweise ein Plattenwärmetauscher als kompakter
Wärmetauscher bekannt, da er einen hohen Koeffizienten der
Gesamtwärme-Übertragung aufweist, wie es in "Shin-ban, Dai 4-han, Reito Kucho Binran
(Ohyohen)", Seite 82, herausgegeben von der Japan Society of Refrigeration and Air
Conditioning Engineers [Verband japanischer Kälte- und Klimaingenieure],
offenbart ist.
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Wie in Fig. 10 dargestellt, ist ein Plattenwärmetauscher so aufgebaut, daß eine
Vielzahl von Wärmeübertragungsplatten p, p, ... nacheinander zwischen zwei
Gestellen f1, f2 angeordnet sind.
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Jede dieser Wärmeübertragungsplatten p ist aus einer flachen Metallplatte
gebildet. Der Umfang der Wärmeübertragungsplatte p greift in den Umfang der
danebenliegenden Wärmeübertragungsplatten p ein, und die Eingriffsbereiche
sind durch Hartlöten miteinander verbunden. Dadurch ergibt sich eine
geschlossene Struktur der Vielzahl der Wärmeübertragungsplatten p. Ein erster
Fließkanal a1 und ein zweiter Fließkanal b1 sind abwechselnd in den jeweiligen
Räumen zwischen den nebeneinanderliegenden Wärmeübertragungsplatten p
gebildet.
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Vier Ecken jeder Wärmeübertragungsplatte p weisen entsprechende Öffnungen
a, b, c, d auf, die einen Einlaß oder einen Auslaß des ersten Fließkanals a1
oder einen Einlaß oder einen Auslaß des zweiten Fließkanals b1 bilden. Durch
Bereitstellen von Dichtungen e, welche die jeweiligen Öffnungen a, b, c, d
umschließen, werden ein erster Einfließraum a2 und ein erster Ausfließraum a3
gebildet, die jeweils nur mit dem ersten Fließkanal a1 in Verbindung stehen,
und ein zweiter Einfließraum b2 und ein zweiter Ausfließraum b3 gebildet, die
jeweils nur mit dem zweiten Fließkanal b1 in Verbindung stehen. Die erste
Flüssigkeit fließt durch den Fließkanal a1, wie in Fig. 10 mit durchgehenden
Pfeilen angedeutet, die zweite Flüssigkeit fließt durch den Fließkanal b1, wie in
Fig. 10 mit gestrichelten Pfeilen angedeutet, und die erste und zweite
Flüssigkeit tauschen über die Wärmeübertragungsplatten p Wärme aus.
Probleme, die von der Erfindung gelöst werden sollen
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Herkömmliche Plattenwärmetauscher haben sogenannte in Längsrichtung
verlängerte Wärmeübertragungsplatten p verwendet, d. h.
Wärmeübertragungsplatten p, bei denen die Länge in Längsrichtung erheblich größer ist als ihre
Länge in Querrichtung. Herkömmlich wurden mit anderen Worten
Wärmeübertragungsplatten p mit einem großen Verhältnis der Länge in Längsrichtung zur
Länge in Querrichtung, d. h. mit einem großen Seitenverhältnis, verwendet.
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Die von den Wärmeübertragungsplatten p mit großem Seitenverhältnis
gebildeten Fließkanäle a1, b1 haben jedoch eine große Kanallänge. Daher haben
solche herkömmlichen Plattenwärmetauscher große Druckverluste bei der
Flüssigkeit in den Fließkanälen a1, b1 verursacht.
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Insbesondere im Fall des Einsatzes einer Flüssigkeit wie beispielsweise
Kältemittel aus Fluorkohlenwasserstoff, bei dem während des
Wärmeaustausches eine Phasenumwandlung vorkommt, wird der Druckverlust verglichen mit
dem Fall größer, bei dem eine Flüssigkeit wie Wasser in einer einzigen Phase
eingesetzt wird. Der Grund dafür liegt darin, daß ein zweiphasiges Fließen
einen größeren Druckverlust pro Durchflußeinheit hat als ein einphasiges
Fließen. Demgemäß ist bisher eine große Triebkraft benötigt worden, um ein
solches zweiphasiges Kältemittel durch den Fließkanal zu drücken.
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Zusätzlich verringert ein solches Kältemittel seine Temperatur bei einer
Verringerung seines Druckes. Daher wird bei großem Druckverlust des Kältemittels
das Temperaturprofil im Wärmetauscher in einer Fließrichtung der Flüssigkeit
auch groß. Dadurch wird das Problem einer verringerten Wirksamkeit eines
Wärmetauschers hervorgerufen.
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Je nach dem Gerätetyp, in dem der Plattenwärmetauscher angeordnet ist,
beispielsweise dem Klimagerätetyp, kann für den Druckverlust im Fließkanal
eine scharfe Einschränkung verlangt werden. In einem solchen Fall wird
herkömmlicherweise die Anzahl der Wärmeübertragungsplatten erhöht, um den
Durchfluß des Kältemittels pro Fließkanal zu verringern, womit ein Druckverlust
verringert wird. Ein solches Verfahren verlangt jedoch eine große Anzahl von
Wärmeübertragungsplatten, was eine Erhöhung der Kosten des Klimagerätes
nach sich zieht.
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Ein Plattenwärmetauscher mit einem geringen Druckverlust einer Flüssigkeit bei
niedrigen Kosten kann erlangt werden, wenn das Seitenverhältnis der
Wärmeübertragungsplatte verringert wird, so daß die Kanallänge verringert wird, ohne
dabei die Wärmeübertragungsfläche zu verringern. Diese Aufgabe wird mit
Wärmeübertragungsplatten gelöst, bei denen die Länge in Längsrichtung gleich
oder kleiner als die zweifache Länge in Querrichtung ist.
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Ein Plattenwärmetauscher gemäß dem Oberbegriffsteil von Anspruch 1 ist aus
der Schrift GB 2 067 277 A bekannt, die dem Stand der Technik entspricht.
Diese Schrift offenbart einen Plattenwärmetauscher, der zum Beispiel
quadratische Wärmeübertragungsplatten umfaßt, die weiterhin mit
turbulenzerzeugenden Wellungen ausgestattet sind.
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Die in der Schrift GB 2 067 277 A, die dem Stand der Technik entspricht,
offenbarten Wellungen sind angeordnet, um verschiedene Fließwiderstände in
den beiden Fließrichtungen der Medien bereitzustellen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plattenwärmetauscher
bereitzustellen, der eine einheitliche Einführung der Flüssigkeiten von den
Einlässen in die Fließkanäle bereitstellt.
Offenbarung der Erfindung
Kurzfassung der Erfindung
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Um die obige Aufgabe zu lösen, ist in der vorliegenden Erfindung um einen
Einlaß des mindestens einen, in jeder der Wärmeübertragungsplatten
gebildeten Fließkanals herum ein Rippensatz zur Driftunterdrückung gebildet, der eine
Vielzahl von Rippen beinhaltet, um die Flüssigkeit einheitlich vom Einlaß in den
Fließkanal einzuführen. Weiterhin ist eine Vielzahl von Rippen so in
unregelmäßigen Abständen angeordnet, daß ein Abstand zwischen den Rippen mittig
von den Enden des Rippensatzes enger ist als der zwischen den Rippen, die
näher an den Enden des Rippensatzes liegen.
Mittel zur Lösung der Probleme
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Genauer gesagt, ist ein Plattenwärmetauscher gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem ein erster Fließkanal A oder ein zweiter Fließkanal B zwischen
zwei nebeneinanderliegenden Platten einer Vielzahl gruppierter
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 gebildet ist, wobei der erste und zweite
Fließkanal A, B es der ersten und zweiten Flüssigkeit ermöglicht, dort in einer
Längsrichtung der Wärmeübertragungsplatte P1, P2; P3, P4 hindurchzufließen,
und zwischen der ersten und zweiten Flüssigkeit über die
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 ein Wärmeaustausch stattfindet, wobei jede der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 so ausgebildet ist, daß deren Länge
L in Längsrichtung gleich oder kleiner als die zweifache Länge W in
Querrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß um einen Einlaß 21a, 21b, 23a, 23b
des mindestens einen, in jeder der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4
gebildeten Fließkanals A, B herum ein Rippensatz 50a, 50b, 60a, 60b zur
Driftunterdrückung gebildet ist, der eine Vielzahl von Rippen 51 bis 58
beinhaltet, um die Flüssigkeit einheitlich vom Einlaß 21a, 21b, 23a, 23b in den
Fließkanal A, B einzuführen, wobei die Vielzahl von Rippen 51 bis 58 so in
unregelmäßigen Abständen angeordnet ist, daß ein Abstand zwischen den Rippen 53
bis 56 mittig von den Enden des Rippensatzes enger ist als der zwischen den
Rippen 51, 52, 57, 58, die näher an den Enden des Rippensatzes liegen.
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Jede der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 kann so ausgebildet sein,
daß deren Länge L in Längsrichtung nicht kleiner als die Länge W in
Querrichtung und nicht größer als die zweifache Länge W in Querrichtung ist.
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Jede der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 kann ausgestattet sein mit
einem Einlaß 21a, 21b und einem Auslaß 22a, 22b für den ersten Fließkanal A
an den entsprechenden Enden in Längsrichtung Y der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4, und ausgestattet sein mit einem Einlaß 23a, 23b und
einem Auslaß 24a, 24b für den ersten Fließkanal B an den entsprechenden
Enden in Längsrichtung Y der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4,
wobei eine primäre Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b zur
Verbesserung des Wärmeaustausches, indem beim Fließen jeder Flüssigkeit
eine Verwirbelung erzeugt wird, mindestens zwischen dem Einlaß 21a, 21b,
23a, 23b und dem Auslaß 22a, 22b, 24a, 24b eines jeden Fließkanals A, B der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 gebildet sein kann, und wobei die
Länge der Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b in
Längsrichtung gleich oder kleiner als deren zweifache Länge in Querrichtung sein
kann.
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Der Einlaß 21a, 21b und der Auslaß 22a, 22b des ersten Fließkanals A können
an diagonal gegenüberliegenden Stellen in den Ecken der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 vorgesehen sein, und der Einlaß 23a, 23b und der
Auslaß 24a, 24b des zweiten Fließkanals B können an anderen diagonal
gegenüberliegenden Stellen in den Ecken der Wärmeübertragungsplatten P1,
P2; P3, P4 vorgesehen sein.
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Der Einlaß 21a, 21b und der Auslaß 22a, 22b des ersten Fließkanals A können
an diagonal gegenüberliegenden Stellen in den Ecken der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 vorgesehen sein, der Einlaß 23a, 23b und der Auslaß
24a, 24b des zweiten Fließkanals B können an anderen diagonal
gegenüberliegenden Stellen in den Ecken der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4
vorgesehen sein, und für jede der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4
kann vorgesehen sein: Dichtungen 12a bis 15b, die so ausgebildet sind, daß sie
den Einlaß 21a, 21b, 23a, 23b und den Auslaß 22a, 22b, 24a, 24b jedes
Fließkanals A, B umschließen und auf der Vorder- oder Rückseite der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 aufragen, um zu verhindern, daß die erste
und zweite Flüssigkeit in den zweiten Fließkanal B bzw. den ersten Fließkanal
A fließen, indem sie in einer der danebenliegenden Wärmeübertragungsplatten
P1, P2; P3, P4 eingreift; eine primäre
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b, die in einem mittleren Bereich der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 in Längsrichtung ausgebildet ist, um den
Wärmeaustausch zu verbessern, indem beim Fließen jeder Flüssigkeit, die senkrecht auf
den Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 fließt, eine Verwirbelung
erzeugt wird; und eine zusätzliche
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 30a, 30b, die zwischen den Dichtungen 12a bis 15b der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 und der primären
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b ausgebildet ist, um den Wärmeaustausch zu
verbessern, indem eine Verwirbelung erzeugt wird beim Fließen der Flüssigkeit,
die vom Einlaß 21a, 21b, 23a, 23b zur primären
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b abfließt, oder beim Fließen der Flüssigkeit, die von
der primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b zum
Auslaß 22a, 22b, 24a, 24b hin fließt.
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Der Einlaß 21a, 21b und der Auslaß 22a, 22b des ersten Fließkanals A können
an diagonal gegenüberliegenden Stellen in den Ecken der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 vorgesehen sein, der Einlaß 23a, 23b und der Auslaß
24a, 24b des zweiten Fließkanals B können an anderen diagonal
gegenüberliegenden Stellen in den Ecken der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4
vorgesehen sein, und für jede der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4
kann vorgesehen sein: Dichtungen 12a bis 15b, die so ausgebildet sind, daß sie
den Einlaß 23a, 23b und den Auslaß 24a, 24b jedes Fließkanals A, B
umschließen und auf der Vorder- oder Rückseite der Wärmeübertragungsplatten P1, P2;
P3, P4 aufragen, um zu verhindern, daß die erste und zweite Flüssigkeit in den
zweiten Fließkanal A bzw. den ersten Fließkanal B fließen, indem sie in einer
der danebenliegenden Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 eingreift;
eine primäre Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b, die in
einem mittleren Bereich der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 in
Längsrichtung ausgebildet ist, um den Wärmeaustausch zu verbessern, indem
beim Fließen jeder Flüssigkeit, die senkrecht auf den
Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 fließt, eine Verwirbelung erzeugt wird; und eine zusätzliche
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 30a, 30b, die zwischen den
Dichtungen 12a bis 15b der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4 und der
primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b ausgebildet
ist, um den Wärmeaustausch zu verbessern, indem eine Verwirbelung erzeugt
wird beim Fließen der Flüssigkeit, die vom Einlaß 21a, 21b, 23a, 23b zur
primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b abfließt, oder
beim Fließen der Flüssigkeit, die von der primären Wärmeübertragungs-
Verbesserungsoberfläche 20a, 20b zum Auslaß 22a, 22b, 24a, 24b hin fließt;
und eine Vielzahl von Rippen 51 bis 58, die um jeden Einlaß 21a, 21b, 23a, 23b
herum ausgebildet sind, um die Flüssigkeit zum einheitlichen Fließen von jedem
Einlaß 21a, 21b, 23a, 23b aus in die jeweiligen, vorherbestimmten Richtungen
zu veranlassen.
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Die Vielzahl der Rippen 51 bis 58 kann so ausgebildet sein, daß die Rippen 53
bis 56, die sich mittig von den Enden des Rippensatzes befinden, breiter sind
als die Rippen 51, 52, 57, 58, die näher an den Enden des Rippensatzes liegen.
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Die Vielzahl der Rippen 51 bis 58 kann im wesentlichen radial in den
Fließkanälen A, B angeordnet sein, und zwar in Fließrichtung nach dem Einlaß 21a,
21b, 23a, 23b, und die Länge der Rippen 51, 52, 57, 58, die näher an den
Enden des Rippensatzes liegen, kann größer sein als die der Rippen 53 bis 56,
die sich mittig von den Enden des Rippensatzes befinden.
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Die Vielzahl der Rippen 51 bis 58 kann im wesentlichen radial in den
Fließkanälen A, B angeordnet sein, und zwar in Fließrichtung nach dem Einlaß 21a,
21b, 23a, 23b, und die Länge der Rippen 51, 52, 57, 58, die näher an den
Enden des Rippensatzes liegen, kann kleiner sein als die der Rippen 53 bis 56,
die sich mittig von den Enden des Rippensatzes befinden.
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Mindestens eine der ersten Flüssigkeit, die durch den ersten Fließkanal A fließt,
und der zweiten Flüssigkeit, die durch den zweiten Fließkanal B fließt, kann
eine für den Wärmeaustausch vorgesehene Flüssigkeit sein, bei der eine
Phasenverschiebung vorkommt.
Arbeitsweise
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Wenn das Seitenverhältnis verringert wird, vergrößert sich die Breite des
Fließkanals A, B, wogegen sich seine Länge verringert. Daher kann die
Kanallänge verringert werden, ohne die Wärmeaustauschfläche zu verringern.
Deshalb kann, ohne die Anzahl der Wärmeübertragungsplatten zu erhöhen, ein
Druckverlust jeder Flüssigkeit verringert werden, während die
Wärmeaustauschmenge beibehalten wird.
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Wenn das Seitenverhältnis auf einen Wert zwischen 1 und 2 festgesetzt wird,
kann ein aufgrund der Erhöhung der Seitenlänge W auftretendes Driften
unterdrückt werden, und ein geeignetes Seitenverhältnis mit einem kleinen
Druckverlust der Flüssigkeit läßt sich erreichen.
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Da ein Driften weiterhin durch die Vielzahl der Rippen 51 bis 58 unterdrückt
werden kann, fließt die Flüssigkeit einheitlich durch die Fließkanäle A, B.
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Darüber hinaus fließt die erste Flüssigkeit im ersten Fließkanal A und die zweite
Flüssigkeit im zweiten Fließkanal B durch die jeweiligen Fließkanäle A, B
entlang der Diagonale der Wärmeübertragungsplatten P1, P2; P3, P4. Deshalb
kann die Flüssigkeit sogar bei einem kleinen Seitenverhältnis relativ einheitlich
durch die Fließkanäle A, B fließen.
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Da die Strömung weiterhin in der primären
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b und der zusätzlichen
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 30a, 30b verwirbelt wird, kann der Wärmeaustausch
verbessert werden. Obwohl der Druckverlust aufgrund der Verwirbelung der Strömung
dazu tendiert, sich zu erhöhen, ist es bemerkenswert, daß ein Druckverlust in
der primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b
verringert werden kann, indem die Länge in Längsrichtung der primären
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b auf einen Wert festgesetzt
wird, der gleich oder kleiner als deren Länge in Querrichtung ist. Demgemäß
kann der Wärmeaustausch ohne große Erhöhung des Druckverlustes
verbessert werden.
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Weiterhin ist die Vielzahl der Rippen 51 bis 58 in unregelmäßigen Abständen
angeordnet. In den mittleren Bereichen des Rippensatzes, wo die Flüssigkeit im
wesentlichen leicht fließt, wird die Strömung der Flüssigkeit unterdrückt, da der
Raum zwischen den Rippen 53 bis 56 eng ist. Andererseits wird die Strömung
der Flüssigkeit an den Enden des Rippensatzes, wo die Flüssigkeit im
wesentlichen nicht leicht fließt, beschleunigt, da der Raum zwischen den Rippen 51, 52,
57, 58 breit ist. Daher kann die Flüssigkeit einheitlich durch den gesamten
Fließkanal fließen und ein Driften kann sicher verhindert werden.
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Wenn eine Flüssigkeit zum Wärmeaustausch fließt, bei der eine
Phasenverschiebung vorkommt, kann darüber hinaus der Effekt eines verringerten
Druckverlustes im Fließkanal in größerem Ausmaß ausgeübt werden, da eine solche
Flüssigkeit die Eigenschaft eines relativ großen Druckverlustes hat.
Auswirkungen
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Die Länge des Fließkanals kann verringert werden, ohne die
Wärmeaustauschfläche zu verringern. Daher kann ein Druckverlust der Flüssigkeit verringert
werden, ohne die Anzahl der Wärmeübertragungsplatten zu erhöhen. Dadurch
wird es ermöglicht, einen Wärmetauscher mit einem kleinen Druckverlust bei
niedrigen Kosten zu bauen.
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Wenn das Seitenverhältnis auf einen Wert zwischen 1 und 2 festgesetzt wird,
läßt sich weiterhin eine Wärmeübertragungsplatte erhalten, die dazu geeignet
ist, einen Druckverlust zu verringern, während ein Driften der Flüssigkeit
unterdrückt wird.
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Da die Vielzahl der Rippen ein Driften der Flüssigkeit verhindert, kann weiterhin
eine Erhöhung des Driftens wegen einer Verringerung des Seitenverhältnisses
unterdrückt werden.
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Da jede Flüssigkeit entlang der Diagonale der Wärmeübertragungsplatte fließt,
kann die Flüssigkeit weiterhin relativ einheitlich im Fließkanal fließen. Da die
Strömung jeder Flüssigkeit auf der primären
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche und der zusätzlichen
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche verwirbelt wird, kann der Wärmeaustausch verbessert werden. Falls die
primäre Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche so ausgebildet ist, daß
ihre Länge in Längsrichtung gleich oder kleiner als ihre zweifache Länge in
Querrichtung ist, kann die Wärmeaustauschmenge erhöht werden, während ein
Druckverlust der Flüssigkeit auf einen kleinen Wert gehalten wird.
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Weiterhin ist der Rippensatz zur Driftunterdrückung in unregelmäßigen
Abständen angeordnet. Daher kann in den mittleren Bereichen des Rippensatzes, wo
die Flüssigkeit im wesentlichen leicht fließt, die Strömung der Flüssigkeit
unterdrückt werden, da der Raum zwischen den dort befindlichen Rippen eng ist.
Andererseits kann die Strömung der Flüssigkeit an den Enden des
Rippensatzes, wo die Flüssigkeit im wesentlichen nicht leicht fließt, beschleunigt
werden, da der Raum zwischen den dort befindlichen Rippen breit ist. Daher
kann die Flüssigkeit einheitlich durch den gesamten Fließkanal fließen. Dies
macht es möglich, ein Driften verläßlich zu verhindern.
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Wenn eine Flüssigkeit zum Wärmeaustausch eingesetzt wird, bei der eine
Phasenverschiebung vorkommt, kann darüber hinaus der obenerwähnte Effekt
eines verringerten Druckverlustes im Fließkanal in noch bemerkenswerterer
Weise ausgeübt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine aufgelöste, perspektivische Darstellung eines
Plattenwärmetauschers.
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Fig. 2 ist eine Vorderansicht der ersten Wärmeübertragungsplatte gemäß
Ausführungsform 1.
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Fig. 3 ist eine Vorderansicht der zweiten Wärmeübertragungsplatte gemäß
Ausführungsform 1.
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Fig. 4 ist ein Schaubild, das einen Leistungsvergleich zwischen
Ausführungsform 1 und herkömmlichen Beispielen zeigt, bei welchem der Umkehrwert eines
Seitenverhältnisses als Parameter verwendet ist.
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Fig. 5 ist eine Vorderansicht der ersten Wärmeübertragungsplatte gemäß
Ausführungsform 2.
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Fig. 6 ist eine Vorderansicht der zweiten Wärmeübertragungsplatte gemäß
Ausführungsform 2.
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Fig. 7 ist eine teilweise vergrößerte Vorderansicht einer
Wärmeübertragungsplatte, welche die Anordnung eines Rippensatzes zur Driftunterdrückung zeigt.
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Fig. 8 ist eine aufgelöste, perspektivische Darstellung eines
Plattenwärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform.
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Fig. 9 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Massenstrom-
Durchflußrate und der Verdunstungs-Wärmeübergangszahl darstellt.
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Fig. 10 ist eine aufgelöste, perspektivische Darstellung eines herkömmlichen
Plattenwärmetauschers.
Die beste Art der Umsetzung der Erfindung
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Hiernach werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug
auf die Zeichnungen beschrieben (Ausführungsform 1 fällt nicht in den Umfang
der vorliegenden Erfindung).
Ausführungsform 1
Aufbau des Plattenwärmetauschers 1
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Wie in der aufgelösten, perspektivischen Darstellung in Fig. 1 gezeigt, wird ein
Plattenwärmetauscher 1 nach dieser Ausführungsform so aufgebaut, daß eine
Vielzahl von Wärmeübertragungsplatten P1, P2 zweier Typen abwechselnd
zwischen zwei Gestellen 2, 3 angeordnet und durch Hartlöten integral
miteinander verbunden wird. Zwischen den beiden Gestellen sind ein erster
Fließkanal A, durch den eine erste Flüssigkeit fließt, und ein zweiter Fließkanal
B, durch den eine zweite Flüssigkeit fließt, abwechselnd und wiederholt in einer
Art ausgebildet, um zwischen den nebeneinanderliegenden
Wärmeübertragungsplatten P1, P2 bereitgestellt zu werden. In Fig. 1 sind eine Darstellung der
gewellten Teile, die eine Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a,
20b bilden, Dichtungen 12a, 12b, und ähnliches (siehe Fig. 2 und Fig. 3)
ausgelassen, wobei diese später beschrieben werden.
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Im ersten Gestell 2, das sich in Fig. 1 an vorderster Stelle befindet, sind die vier
Ecken, d. h. die untere linke Ecke, die obere rechte Ecke, die obere linke Ecke
und die untere rechte Ecke jeweils an ein erstes Einlaßrohr 4 als ein Einlaßrohr
für die erste Flüssigkeit, ein erstes Auslaßrohr 5 als ein Auslaßrohr für die erste
Flüssigkeit, ein zweites Einlaßrohr 6 als ein Einlaßrohr für die zweite Flüssigkeit
und ein zweites Auslaßrohr 7 als ein Auslaßrohr für die zweite Flüssigkeit
angeschlossen.
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Jede der ersten Wärmeübertragungsplatten P1 und der zweiten
Wärmeübertragungsplatten P2 ist ausgebildet mit einer ersten Öffnung 21, einer zweiten
Öffnung 22, einer dritten Öffnung 23 und einer vierten Öffnung 24 an den
jeweils entsprechenden Stellen des ersten Einlaßrohrs 4, des ersten
Auslaßrohrs 5, des zweiten Einlaßrohrs 6 und des zweiten Auslaßrohrs 7. Die erste
Öffnung 21, die zweite Öffnung 22, die dritte Öffnung 23 und die vierte Öffnung
24 stellen jeweils einen Einlaß des ersten Fließkanals A, einen Auslaß des
ersten Fließkanals A, einen Einlaß des zweiten Fließkanals B und einen Auslaß
des zweiten Fließkanals B dar. Weiterhin, wenn die Vielzahl der
Wärmeübertragungsplatten P1 und die Vielzahl der Wärmeübertragungsplatten P2
abwechselnd angeordnet sind, werden ein erster Einlaßraum 8, ein erster Auslaßraum
9, ein zweiter Einlaßraum 10 und ein zweiter Auslaßraum 11 jeweils durch die
erste Öffnung 21, die zweite Öffnung 22, die dritte Öffnung 23 und die vierte
Öffnung 24 gebildet.
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Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, ist jeder der Wärmeübertragungsplatten P1, P2
aus einer im wesentlichen rechteckigen Metallplatte gebildet (beispielsweise
Edelstahl oder Aluminium) und hat durch Druckformen Wärmeübertragungs-
Verbesserungsoberflächen 20a, 20b, 30a, 30b auf ihrer Oberfläche gebildet.
Jede der äußeren Kanten der beiden Wärmeübertragungsplatten P1, P2 sind
vollkommen umgebogen, und zwar in einer Art, daß sie zum Ende hin leicht
verbreitert sind, so daß die Außenkanten überlappt werden können, eine mit der
anderen, um die Seitenflächen des Plattenwärmetauschers 1 zu bilden, wenn
alle Wärmeübertragungsplatten P1, P2 zusammengestellt sind. Das heißt, die
Seitenfläche des Plattenwärmetauschers 1 wird so gebildet, daß die eine
gebogene Seitenkante mit der anderen überlappt.
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Fig. 2 zeigt die Vorderseite der ersten Wärmeübertragungsplatte P1, und Fig. 3
zeigt die Vorderseite der zweiten Wärmeübertragungsplatte P2. Die
Seitenkanten beider Wärmeübertragungsplatten P1, P2 sind von ihrer Rückseite zur
Vorderseite hin gebogen. Die erste Wärmeübertragungsplatte P1 und die
zweite Wärmeübertragungsplatte P2 sind auf eine Art zusammengestellt, daß
die Vorderseite einer Wärmeübertragungsplatte der Rückseite der anderen
gegenüberliegt. Zwischen der Vorderseite der ersten Wärmeübertragungsplatte
P1 und der Rückseite der zweiten Wärmeübertragungsplatte P2 ist der erste
Fließkanal A gebildet, durch den die erste Flüssigkeit fließt. Andererseits ist
zwischen der Rückseite der ersten Wärmeübertragungsplatte P1 und der
Vorderseite der zweiten Wärmeübertragungsplatte P2 der zweite Fließkanal B
gebildet, durch den die zweite Flüssigkeit fließt.
Seitenverhältnis der Wärmeübertragungsplatte P1, P2
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Das Seitenverhältnis jeder Wärmeübertragungsplatte P1, P2 ist auf den Wert 2
oder weniger festgesetzt. Speziell in dieser Ausführungsform ist das
Seitenverhältnis auf 1,5 festgesetzt. Das heißt, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, ist jede
Wärmeübertragungsplatte P1, P2 so ausgebildet, daß ihre Länge in
Längsrichtung (in Richtung Y) 1,5 Mal der Länge in Querrichtung entspricht (in
Richtung X).
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In herkömmlichen Plattenwärmetauschern ist das Seitenverhältnis mehr als 2.
Im Gegensatz dazu ist in dem Plattenwärmetauscher 1 dieser Ausführungsform
die Länge der Wärmeübertragungsplatte in Querrichtung vergrößert, und ihre
Länge in Längsrichtung ist verglichen mit der herkömmlichen Platte verringert.
Das verringert das Seitenverhältnis, während die Wärmeübertragungsfläche im
wesentlichen konstant bleibt. Auf diese Weise kann jeder erste Fließkanal A
und jeder zweite Fließkanal B seine Breite vergrößern und seine Länge
verringern, ohne dabei seine Wärmeübertragungsfläche zu verringern. Mit anderen
Worten kann der Querschnitt des Fließkanals vergrößert und seine Länge
verringert werden, so daß der Druckverlust der Flüssigkeit im Fließkanal
verringert werden kann.
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Das Prinzip der Festlegung des Seitenverhältnisses soll nun beschrieben
werden, indem die Leistung eines herkömmlichen Plattenwärmetauschers
(herkömmliches Beispiel) mit einem Seitenverhältnis von 4,7 mit dem
Plattenwärmetauscher gemäß Ausführungsform 1 verglichen wird.
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Fig. 4 zeigt Berechnungsergebnisse des Quotienten der Durchflußrate, des
Quotienten des Wärmeübertragungskoeffizienten und des Quotienten der
notwendigen Anzahlen der Wärmeübertragungsplatten der Ausführungsform 1
in bezug auf das herkömmliche Beispiel, wenn der Umkehrwert des
Seitenverhältnisses der Wärmeübertragungsplatte als Parameter benutzt wird und der
Druckverlust im Fließkanal bei beiden als gleich angenommen wird.
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Wie aus Fig. 4 hervorgeht, werden der Quotient der Durchflußrate und der
Quotient des Wärmeübertragungskoeffizienten beim Verringern des
Seitenverhältnisses (beim Vergrößern des Umkehrwerts des Seitenverhältnisses) größer.
Andererseits verringert sich die notwendige Anzahl der
Wärmeübertragungsplatten beim Verringern des Seitenverhältnisses, d. h. beim Vergrößern der
Querlänge der Wärmeübertragungsplatte wird die notwendige Anzahl der
Wärmeübertragungsplatten kleiner.
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Wie sich aus dem Obenerwähnten verstehen läßt, tendieren der Quotient der
Durchflußraten und der Quotient der Wärmeübertragungskoeffizienten bei einer
allmählichen Erhöhung des Umkehrwertes des Seitenverhältnisses von etwa
0,2 (Stand der Technik) dazu, sich abrupt zu erhöhen, bis der Umkehrwert 0,5
erreicht, wonach sich ihre Anstiegsraten abflachen, wenn der Umkehrwert 0,5
übersteigt.
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Weiterhin verringert sich bei einer allmählichen Erhöhung des Umkehrwertes
des Seitenverhältnisses von 0,2 abrupt die notwendige Anzahl der
Wärmeübertragungsplatten entsprechend der abrupten Steigerung des Quotienten der
Durchflußraten und des Quotienten der Wärmeübertragungskoeffizienten, ihre
Abfallrate flacht ab, wenn der Umkehrwert 0,5 übersteigt, und fällt danach
selten weiter ab, wenn der Umkehrwert 1 übersteigt.
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Angesichts solcher Tendenzen ist der Umkehrwert des Seitenverhältnisses auf
0,5 oder mehr festgesetzt, wobei der Quotient der Durchflußraten und die
notwendige Anzahl der Wärmeübertragungsplatten sich nicht wesentlich
verändern. Mit anderen Worten wird das Seitenverhältnis auf 2 oder weniger
festgesetzt.
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Im Gegensatz dazu vergrößert sich bei einer Verringerung des
Seitenverhältnisses die Breite des Fließkanals, wodurch leicht ein Driften der Flüssigkeit
verursacht werden kann. Daher ist es für ein effektives Verringern eines
Druckverlustes der Flüssigkeit, während ihr Driften unterdrückt wird, am
meisten bevorzugt, daß das Seitenverhältnis nicht kleiner als 1 und nicht größer
als 2 ist.
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Insbesondere bei einem Seitenverhältnis von 2 (der Umkehrwert des
Seitenverhältnisses ist 0,5) ist der Quotient der notwendigen Anzahl der
Wärmeübertragungsplatten 0,85, was bedeutet, daß die notwendige Anzahl um etwa 15%
verringert werden kann. Da das Seitenverhältnis bei dem Plattenwärmetauscher
1 der vorangegangenen Ausführungsform 1,5 ist, ist der Quotient der
notwendigen Anzahl der Wärmeübertragungsplatten 0,80, was bedeutet, daß die
notwendige Anzahl um etwa 20% verringert werden kann. Durch Festlegen des
Seitenverhältnisses auf 2 oder weniger, wie oben beschrieben, kann die
notwendige Anzahl der Wärmeübertragungsplatten verglichen mit dem Stand
der Technik um 15% oder mehr verringert werden.
Details des Aufbaus der Wärmeübertragungsplatte P1, P2
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Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, ist jede der ersten Wärmeübertragungsplatten P1
und der zweiten Wärmeübertragungsplatten P2 an den vier Ecken ausgebildet
mit einer ersten Öffnung 21a, 21b, einer zweiten Öffnung 22a, 22b, einer dritten
Öffnung 23a, 23b und einer vierten Öffnung 24a, 24b, d. h. jeweils in die untere
linke Ecke, die obere rechte Ecke, die obere linke Ecke und die untere rechte
Ecke, wobei jede eine kreisrunde Form aufweist.
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Um die Öffnungen 21a, 21b bis 24a, 24b herum sind jeweils flache Dichtungen
12a, 12b bis 15a, 15b ausgebildet, um die Öffnungen 21a, 21b bis 24a, 24b zu
umschließen und um auf die Vorderseite oder die Rückseite der
Wärmeübertragungsplatte P1, P2 hin aufzuragen.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, ragen insbesondere in der ersten
Wärmeübertragungsplatte P1 die Dichtung 12a, welche die erste Öffnung 21a umschließt, und
die Dichtung 13a, welche die zweite Öffnung 22a umschließt, von der
Vorderseite zur Rückseite. Im Gegensatz dazu ragen die Dichtung 14a, welche die
dritte Öffnung 23a umschließt, und die Dichtung 15a, welche die vierte Öffnung
24a umschließt, von der Rückseite zur Vorderseite.
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Andererseits ragen in der zweiten Wärmeübertragungsplatte P2 die Dichtungen
12b, 13b, welche jeweils die erste Öffnung 21b und zweite Öffnung 22b
umschließen, von der Rückseite zur Vorderseite. Im Gegensatz dazu ragen die
Dichtungen 14b, 15b, welche jeweils die dritte Öffnung 23b und die vierte
Öffnung 24b umschließen, von der Vorderseite zur Rückseite.
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Wenn die erste Wärmeübertragungsplatte P1 und die zweite
Wärmeübertragungsplatte P2 ineinander eingreifen und an den Dichtungen 12a, 12b bis 15a,
15b miteinander verbunden sind, wird die zweite Flüssigkeit daran gehindert, in
den ersten Fließkanal A zu fließen, und die erste Flüssigkeit daran gehindert, in
den zweiten Fließkanal B zu fließen. Zusätzlich werden der erste Einlaufraum 8
und der erste Auslaufraum 9 mit dem ersten Fließkanal A in Verbindung
gebracht, und der zweite Einlaufraum 10 und der zweite Auslaufraum 11 mit
dem zweiten Fließkanal B in Verbindung gebracht. Dadurch kann die erste
Flüssigkeit durch den ersten Fließkanal A und die zweite Flüssigkeit durch den
zweiten Fließkanal B fließen.
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Der übrige Teil der Wärmeübertragungsplatten P1, P2 ist als
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b, 30a, 30b ausgebildet. Im Detail
gesehen ist eine primäre Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a,
20b im Längsmittelteil der Wärmeübertragungsplatte P1, P2 ausgebildet,
während eine zusätzliche Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 30a,
30b an den Längsendteilen der Wärmeübertragungsplatte P1, P2 ausgebildet
ist. Die zusätzliche Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 30a, 30b ist
in einem Raum zwischen den Dichtungen 12a, 12b bis 15a, 15b und der
primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b ausgebildet.
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Die Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b, 30a, 30b ist ein
Bereich zur Verbesserung des Wärmeaustausches, indem die Strömung jeder
Flüssigkeit verwirbelt wird. Die Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche
20a, 20b, 30a, 30b ist in einer solchen Wellenform ausgebildet, daß Höhen und
Tiefen sich in Längsrichtung der Wärmeübertragungsplatte P1, P2 abwechselnd
wiederholen. Die Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b, 30a,
30b hat ein sogenanntes Fischgrätenmuster, das einen ansteigenden Abschnitt
26 und einen absteigenden Abschnitt 27 enthält, in denen die Ausrichtung der
Höhen und Tiefen jeweils nach oben oder nach unten zur rechten Seite der
Figur hin ausgerichtet ist.
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Die primäre Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b ist im
Längsmittelteil der Wärmeübertragungsplatte P1, P2 ausgebildet, um den
Wärmeaustausch zu verbessern, indem die Strömung jeder Flüssigkeit
verwirbelt wird, die senkrecht auf der Wärmeübertragungsplatte P1, P2 fließt.
Andererseits verbessert die zusätzliche
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 30a, 30b den Wärmeaustausch, indem die Flüssigkeit verwirbelt wird, die
von jedem der Einlässe 21a, 21b, 23a, 23b zu der primären
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b hin abfließt, oder die Flüssigkeit, die
von der primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b auf
jeden der Auslässe 22a, 22b, 24a, 24b hin fließt.
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Die erste Wärmeübertragungsplatte P1 und die zweite
Wärmeübertragungsplatte P2 sind voneinander in den Ausrichtungen der Höhen und Tiefen der
primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b, 30a, 30b
verschieden. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist insbesondere in der ersten
Wärmeübertragungsplatte P1 der ansteigende Abschnitt 26 in der linken Hälfte
ausgebildet und der absteigende Abschnitt 27 in der rechten Hälfte ausgebildet.
Im Gegensatz dazu, wie in Fig. 3 dargestellt, ist der absteigende Abschnitt 27 in
der linken Hälfte ausgebildet und der ansteigende Abschnitt 26 in der rechten
Hälfte ausgebildet.
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Wenn die erste Wärmeübertragungsplatte P1 mit der zweiten
Wärmeübertragungsplatte P2 verbunden ist, greifen die Höhen der einen
Wärmeübertragungsplatte in die Tiefen der anderen ein, so daß ein Zickzack-Fließkanal A, B
zwischen den nebeneinanderliegenden Wärmeübertragungsplatten P1, P2
gebildet wird.
Wärmeaustausch-Arbeitsweise
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Es folgt eine Beschreibung über die Wärmeaustausch-Arbeitsweise zwischen
der ersten und zweiten Flüssigkeit in dem Plattenwärmetauscher 1. Dabei wird
ein während des Wärmeaustausches eine Phasenumwandlung durchlaufendes
Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel, wie beispielsweise R407C, als erste und
zweite Flüssigkeit verwendet.
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Wie durch fettgedruckte Pfeile in Fig. 1 angezeigt, fließt ein erstes Kältemittel in
einem zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand bei niedriger Temperatur in
jeden der beiden ersten Fließkanäle A, A, ... ein vom ersten Einlaßrohr 4 durch
den ersten Einlaufraum 8. Andererseits fließt ein zweites Kältemittel in einem
gasförmigen Zustand bei hoher Temperatur in die zweiten Fließkanäle B, B, ...
ein vom zweiten Einlaßrohr 6 durch den zweiten Einlaufraum 10.
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Zwischen dem ersten Kältemittel, das durch den ersten Fließkanal A fließt, und
dem zweiten Kältemittel, das durch den zweiten Fließkanal B fließt, findet über
die Wärmeübertragungsplatte P1, P2 ein Wärmeaustausch statt. Dadurch wird
das erste Kältemittel verdunstet und das zweite Kältemittel kondensiert. Dann
fließt das erste Kältemittel, das sich in einem verdunsteten, gasförmigen
Zustand befindet, über den ersten Auslaufraum 9 aus dem ersten Auslaßrohr 5
nach außen. Andererseits fließt das zweite Kältemittel, das sich in einem
kondensierten, flüssigen Zustand befindet, durch den zweiten Auslaufraum 11
aus dem zweiten Auslaßrohr 7 nach außen.
Auswirkungen dieser Ausführungsform
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Da das Seitenverhältnis der Wärmeübertragungsplatte P1, P2 klein ist, hat
gemäß dem Plattenwärmetauscher 1 dieser Ausführungsform der erste
Fließkanal A und der zweite Fließkanal B jeweils eine große
Kanal-Querschnittsfläche und eine kurz Kanal-Länge. Daher ist der Druckverlust des jeweiligen
Kältemittels in den Fließkanälen A, B klein. Demgemäß kann ein Druckverlust
des jeweiligen Kältemittels ohne Erhöhung der Anzahl der
Wärmeübertragungsplatten reduziert werden.
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Da der Druckverlust auf diese Weise reduziert wird, kann eine
Umwälz-Triebkraft zum Umwälzen des jeweiligen Kältemittels verkleinert werden, was den
Wirkungsgrad einer Vorrichtung verbessert, in die der Wärmetauscher
eingebaut ist.
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Da weiterhin der Druckverlust klein ist, ist auch die Temperatur-Veränderung
des jeweiligen Kältemittels in den Fließkanälen A, B klein. Daher kann eine
Verringerung des Wirkungsgrads beim Wärmeaustausch unterdrückt werden.
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Wie sich aus dem Vorhergehenden ergibt, kann der Plattenwärmetauscher 1
dieser Ausführungsform sogar in Klimageräten und ähnlichen Anlagen
eingebaut werden, die bezüglich Druckverlust strengen Anforderungen genügen
müssen. Demgemäß kann der Plattenwärmetauscher 1 dieser Ausführungsform
sogar in Vorrichtungen eingebaut werden, in denen Kältemittel mit einer Pumpe
kleiner Kapazität umgewälzt wird, d. h. in Vorrichtungen, bei denen der
konventionelle Plattenwärmetauscher nur schwer untergebracht werden könnte.
Zum Beispiel können die Auswirkungen dieser Erfindung in einem Klimasystem,
bei dem die Wärmeübertragung unter Verwendung eines Kältemittels als
Medium in einer Zwischenstufe vorgenommen wird, auf bemerkenswerte Art
ausgenutzt werden. Somit läßt sich mit dem Plattenwärmetauscher 1 dieser
Ausführungsform der Bereich der Klimageräte erweitern, in denen er eingebaut
werden kann.
Ausführungsform 2
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Der Plattenwärmetauscher gemäß Ausführungsform 2 umfaßt die
Driftunterdrückungs-Rippensätze 50a, 50b, 60a, 60b zur Unterdrückung der Drift des
Kältemittels im Fließkanal A, B.
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Der Plattenwärmetauscher gemäß Ausführungsform 2 hat einen Aufbau, bei
dem die erste Wärmeübertragungsplatte P1 und die zweite
Wärmeübertragungsplatte P2 im Plattenwärmetauscher 1 der Ausführungsform 1 durch die in
Fig. 5 dargestellte erste Wärmeübertragungsplatte P3 bzw. die in Fig. 6
dargestellte zweite Wärmeübertragungsplatte P4 ersetzt sind. Da abgesehen
von den Wärmeübertragungsplatten P3, P4 die anderen Bereiche denen in
Ausführungsform 1 gleichen, werden an dieser Stelle nur eine Beschreibung
der Wärmeübertragungsplatten P3, P4 vorgenommen, und auf eine
Beschreibung der anderen Bereiche wird verzichtet.
Aufbau der Wärmeübertragungsplatte
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Wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, sind in der ersten Wärmeübertragungsplatte P3
und der zweiten Wärmeübertragungsplatte P4 die erste Öffnung 21a, 21b, die
zweite Öffnung 22a, 22b, die dritte Öffnung 23a, 23b und die vierte Öffnung
24a, 24b, die jeweils eine kreisrunde Form haben, wie in Ausführungsform 1
jeweils an den vier Ecken ausgebildet, d. h. die untere linke Ecke, die obere
rechte Ecke, die obere linke Ecke und die untere rechte Ecke.
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Um die Öffnungen 21a, 21b bis 24a, 24b herum ragen jeweils flache
Dichtungen 12a, 12b bis 15a, 15b zur Vorderseite oder Rückseite hin auf, und
Driftunterdrückungs-Rippensätze 50a, 50b, 60a, 60b, die jeweils eine Vielzahl von
Rippen 51 bis 58 beinhalten, die in der Nähe der Dichtungen 12a, 12b bis 15a,
15b bereitgestellt sind.
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Im mittleren Bereich jeder Wärmeübertragungsplatte P3, P4 in Längsrichtung
(in Richtung Y der Figur) ist eine primäre
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b ausgebildet, die eine Vielzahl von wellenförmigen
Höhen beinhaltet. An beiden Längsenden der Wärmeübertragungsplatte sind
zusätzliche Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberflächen 30a, 30b
ausgebildet. Die zusätzliche Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 30a, 30b ist
zwischen der primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b
und den Dichtungen 12a, 12b bis 15a, 15b ausgebildet.
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Details des Aufbaus von Dichtung,
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche und Driftunterdrückungs-Rippensatz werden weiter unten beschrieben.
Aufbau der Dichtung
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Wie in Fig. 5 dargestellt, ragen in der ersten Wärmeübertragungsplatte P3 die
Dichtung 12a, welche die erste Öffnung 21a umschließt, und die Dichtung 13a,
welche die zweite Öffnung 22a umschließt, von der Vorderseite zur Rückseite
hin auf. Im Gegensatz dazu ragen die Dichtung 14a, welche die dritte Öffnung
23a umschließt, und die Dichtung 15a, welche die vierte Öffnung 24a
umschließt, von der Rückseite zur Vorderseite hin auf. Wie in Fig. 6 gezeigt,
ragen andererseits in der zweiten Wärmeübertragungsplatte P4 die Dichtungen
12b, 13b, welche jeweils die erste Öffnung 21b und zweite Öffnung 22b
umschließen, von der Rückseite zur Vorderseite. Im Gegensatz dazu ragen die
Dichtungen 14b, 15b, welche jeweils die dritte Öffnung 23b und die vierte
Öffnung 24b umschließen, von der Vorderseite zur Rückseite. Wenn die erste
Wärmeübertragungsplatte P3 und die zweite Wärmeübertragungsplatte P4 an
den aufragenden Bereichen miteinander verbunden sind, wird die zweite
Flüssigkeit daran gehindert, in den ersten Fließkanal A zu fließen, der zwischen
der Vorderseite der ersten Wärmeübertragungsplatte P3 und der Rückseite der
zweiten Wärmeübertragungsplatte P4 definiert ist, so daß nur die erste
Flüssigkeit durch den ersten Fließkanal A fließen kann. Gleichermaßen wird die
erste Flüssigkeit daran gehindert, in den zweiten Fließkanal B zu fließen, der
zwischen der Rückseite der ersten Wärmeübertragungsplatte P3 und der
Vorderseite der zweiten Wärmeübertragungsplatte P4 definiert ist, so daß nur
die zweite Flüssigkeit durch den zweiten Fließkanal B fließen kann.
Aufbau der Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche
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Wie bei Ausführungsform 1 hat die primäre
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b ein sogenanntes Fischgrätenmuster, das einen
ansteigenden Abschnitt 26 und einen absteigenden Abschnitt 27 enthält.
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Andererseits ist die zusätzliche Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche
30a der ersten Wärmeübertragungsplatte P3 nur aus einem ansteigenden
Abschnitt gebildet, bei dem die Höhen und Tiefen nach oben zur rechten Seite
der Figur hin ausgerichtet sind. Und die zusätzliche Wärmeübertragungs-
Verbesserungsoberfläche 30b der zweiten Wärmeübertragungsplatte P4 ist nur
aus einem absteigenden Abschnitt gebildet, bei dem die Höhen und Tiefen
nach unten zur rechten Seite der Figur hin ausgerichtet sind.
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Als ein Merkmal dieser Ausführungsform ist die primäre Wärmeübertragungs-
Verbesserungsoberfläche 20a, 20b so ausgebildet, daß das Verhältnis der
Seiten in Längs- und in Querrichtung im wesentlichen 1 ist. Mit anderen Worten
ist die primäre Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b so
ausgebildet, daß die Länge in Längsrichtung im wesentlichen der Länge in
Querrichtung gleich ist. Demgemäß ist die Länge in Längsrichtung kleiner als
die zweifache Länge in Querrichtung.
Aufbau des Driftunterdrückungs-Rippensatzes
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Es folgt eine Beschreibung des Aufbaus des Driftunterdrückungs-Rippensatzes.
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Wie in Fig. 5 dargestellt, sind die ersten Driftunterdrückungs-Rippensätze 50a,
die jeweils aus acht Rippen 51 bis 58 bestehen, die von der Rückseite zur
Vorderseite aufragen, jeweils über der ersten Öffnung 21a der Dichtung 12a der
ersten Wärmeübertragungsplatte P3 und unter der zweiten Öffnung 22a der
Dichtung 13a ausgebildet. Andererseits sind die zweiten Driftunterdrückungs-
Rippensätze 60a, die jeweils aus acht Rippen 51 bis 58 bestehen, die von der
Vorderseite zur Rückseite aufragen, jeweils unter der dritten Öffnung 23a der
Dichtung 14a und über der vierten Öffnung 24a der Dichtung 15a ausgebildet.
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Da die Driftunterdrückungs-Rippensätze 50a, 50b symmetrisch angeordnet
sind, wird an dieser Stelle nur der Aufbau des ersten Driftunterdrückungs-
Rippensatzes 50a beschrieben werden, der um die erste Öffnung 21a herum
bereitgestellt ist.
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Wie in Fig. 7 dargestellt ist, setzt sich der erste Driftunterdrückungs-Rippensatz
50a aus einer ersten Rippe 51, einer zweiten Rippe 52, einer dritten Rippe 53,
einer vierten Rippe 54, einer fünften Rippe 55, einer sechsten Rippe 56, einer
siebten Rippe 57 und einer achten Rippe 58 zusammen, die von links in dieser
Reihenfolge bereitgestellt sind, um die erste Öffnung 21a von oben her zu
umgeben. Die Vielzahl der Rippen 51 bis 58 ist im wesentlichen radial um die
erste Öffnung 21a herum angeordnet, um so die erste Flüssigkeit, die in den
ersten Fließkanal A fließt, gleichmäßig und einheitlich durch die erste Öffnung
21a zur primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a hin
einzuführen. Insbesondere ist jede der Rippen 51 bis 58 mit Bezug auf die
vertikale Achse so geneigt, daß sich der Winkel α, der im Uhrzeigersinn
zwischen der jeweiligen Rippe und der vertikalen Ausrichtung gebildet wird,
allmählich in der Reihenfolge von der ersten Rippe 51 zur achten Rippe 58
erhöht.
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Jede der Rippen 51 bis 58 ist so gebildet, daß sich ihre Ausrichtung in der
Länge im wesentlichen radial vom Mittelpunkt der ersten Öffnung 21a aus
erstreckt. Die Rippen 51 bis 58 sind in ihrer Länge voneinander verschieden,
und zwar je nach den Abständen in ihrer jeweiligen Lage zwischen der ersten
Öffnung 21a und der primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche
20a. Beispielsweise sind die erste Rippe 51 und die achte Rippe 58, die an
Stellen bereitgestellt sind, die weiter von der ersten Öffnung 21a und der
primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a entfernt sind,
länger ausgebildet, während die vierte Rippe 54, die an einer Stelle
bereitgestellt ist, die sich näher daran befindet, kürzer ausgebildet ist. Im Detail
gesehen, ist die Länge der Rippe in der Reihenfolge von der ersten Rippe 51 bis zur
vierten Rippe 54 schrittweise verringert und schrittweise erhöht in der
Reihenfolge von der vierten Rippe 54 bis zur achten Rippe 58.
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Die Breite der Rippen 51 bis 58 ist in der Reihenfolge von der ersten Rippe 51
bis zur vierten Rippe 54 schrittweise erhöht und schrittweise verringert in der
Reihenfolge von der vierten Rippe 54 bis zur achten Rippe 58. Demgemäß hat
die vierte Rippe 54, die mittig zwischen den Rippen 51 bis 58 angeordnet ist,
die größte Breite, und die erste Rippe 51 sowie die achte Rippe 58, die an den
beiden Enden angeordnet sind, haben die geringste Breite. Mit anderen Worten
ist die Breite der Rippe groß an einem mittleren Punkt in der Nähe einer
theoretischen Linie M, welche die erste Öffnung 21a mit der zweiten Öffnung
22a verbindet, und sie ist klein an den beiden Enden, die sich weit entfernt von
der theoretischen Linie M befinden.
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Die Zwischenräume zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden Rippen 51
bis 58 sind unregelmäßig groß, wobei Fließeigenschaften der zweiphasigen
Strömung berücksichtigt worden sind. Das heißt, daß die Vielzahl der Rippen
51 bis 58 so in unregelmäßigen Abständen angeordnet sind, daß das im
zweiphasigen Zustand einströmende Kältemittel gleichmäßig zur primären
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a eingebracht wird. Im Detail
gesehen, ist der Zwischenraum zwischen den Rippen an einer Stelle klein, an der
das Kältemittel leicht von der ersten Öffnung 21a durchfließen kann, wie
beispielsweise am mittleren Punkt zwischen den Rippen 51 bis 58. Andererseits
ist der Zwischenraum zwischen den Rippen an den Stellen groß, an denen
Kältemittel schwer von der ersten Öffnung 21a durchfließen kann, wie
beispielsweise an den beiden Enden. Mit dieser Anordnung kann die Vielzahl
der Rippen 51 bis 58 eine größere Menge an Kältemittel an den Stellen zur
primären Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a hin einbringen, an
denen Kältemittel schwer durchfließen kann, und kann gleichzeitig eine
übermäßige Kältemittel-Strömung an den Stellen unterdrücken, an denen Kältemittel
leicht durchfließen kann, wodurch ein Driften unterdrückt wird. Weiterhin ist
zwischen der siebten Rippe 57 und der achten Rippe 58 im größten
Zwischenraum eine Rinne gebildet, da das Kältemittel hier höchstwahrscheinlich kaum
fließt.
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Die Driftunterdrückungs-Rippensätze 50b, 60b der zweiten
Wärmeübertragungsplatte P4 haben entsprechende, aufragende Ausrichtungen gegenüber
den Driftunterdrückungs-Rippensätzen 50b, 60b der ersten
Wärmeübertragungsplatte P3, und andere Strukturen sind gleich.
Wärmeaustausch-Betrieb
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Wie durch fettgedruckte Pfeile in Fig. 1 angezeigt, fließt wie bei der
Ausführungsform 1 ein erstes Kältemittel in einem zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-
Zustand bei niedriger Temperatur in jeden der beiden ersten Fließkanäle A, A ...
vom ersten Einlaßrohr 4 durch den ersten Einlaufraum 8 ein. Zu der Zeit wird
das erste Kältemittel durch den Driftunterdrückungs-Rippensatz 50a, 50b
gleichmäßig zur Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b
eingebracht. Andererseits fließt ein zweites Kältemittel in einem gasförmigen Zustand
bei hoher Temperatur in die zweiten Fließkanäle B, B ... vom zweiten Einlaßrohr
6 durch den zweiten Einlaufraum 10 ein. Zu der Zeit wird auch das zweite Kältemittel
durch den Driftunterdrückungs-Rippensatz 60a, 60b gleichmäßig zur
Wärmeübertragungs-Verbesserungsoberfläche 20a, 20b eingebracht.
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Zwischen dem ersten Kältemittel, das durch den ersten Fließkanal A fließt, und
dem zweiten Kältemittel, das durch den zweiten Fließkanal B fließt, findet über
die Wärmeübertragungsplatte P3, P4 ein Wärmeaustausch statt. Dadurch wird
das erste Kältemittel verdunstet und das zweite Kältemittel kondensiert. Dann
fließt das erste Kältemittel, das sich in einem verdunsteten, gasförmigen
Zustand befindet, über den ersten Auslaufraum 9 aus dem ersten Auslaßrohr 5
nach außen. Andererseits fließt das zweite Kältemittel, das sich in einem
kondensierten, flüssigen Zustand befindet, durch den zweiten Auslaufraum 11
aus dem zweiten Auslaßrohr 7 nach außen.
Auswirkungen der Ausführungsform 2
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Wenn das Seitenverhältnis der Wärmeübertragungsplatte P3, P4 verringert
wird, mag das Anlaß zu Befürchtungen geben, daß sich wegen des Driftens des
Kältemittels in den Fließkanälen A, B eine Verschlechterung der
Wärmeaustausch-Leistung ergibt. Da in der Ausführungsform 2 jedoch die
Driftunterdrückungs-Rippensätze 50a, 50b, 60a, 60b bereitgestellt sind, kann ein Driften
des Kältemittels im Fließkanal A, B ausreichend unterdrückt werden. Daher
kann das Seitenverhältnis verringert werden. Demgemäß kann ein Druckverlust
des Kältemittels weiter verringert werden.
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Insbesondere verursacht Kältemittel, das in einem zweiphasigen
Gas-Flüssigkeits-Zustand fließt, leicht ein Driften im Fließkanal, und zwar wegen des
Unterschieds im spezifischen Gewicht in seinem gasförmigen und flüssigen
Zustand. Daher eignet sich die Flüssigkeit, die in einem zweiphasigen Gas-
Flüssigkeits-Zustand fließt, gut für einen Wärmeaustausch.
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Da weiterhin die Vielzahl der Rippen 51 bis 58, die den Driftunterdrückungs-
Rippensatz 50a, 50b, 60a, 60b darstellen, in solchen unregelmäßigen
Zwischenräumen angeordnet ist, daß der Zwischenraum zwischen den Rippen
53 bis 56, die sich mittig von den Enden des Rippensatzes befinden, enger ist
als zwischen den Rippen 51, 52, 57, 58, die näher an den Enden des
Rippensatzes liegen. Daher ist der Strömungsweg für die Flüssigkeit an der
Stelle enger, die sich mittig von den Enden des Rippensatzes befindet, wogegen
die Strömungswege für die Flüssigkeit an den Stellen breiter sind, die
näher an den Enden des Rippensatzes liegen. Das unterdrückt ein
übermäßiges Strömen der Flüssigkeit an der mittigen Stelle und beschleunigt das
Strömen der Flüssigkeit an den Stellen, die näher an den Enden des
Rippensatzes liegen. Demgemäß kann ein Driften der Flüssigkeit mit Sicherheit
unterdrückt werden.
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Fig. 9 ist ein Schaubild, welches einen Vergleich der
Verdunstungs-Wärmeübergangszahl in bezug auf die Massenstrom-Durchflußrate des Kältemittels für
diese Ausführungsform darstellt, das mit den Driftunterdrückungs-Rippensätzen
50a, 50b, 60a, 60b ausgestattet ist, und dem Plattenwärmetauscher, der nicht
mit einem Driftunterdrückungs-Rippensatz ausgestattet ist. Wie sich aus Fig. 9
ersehen läßt, ist die Verdunstungs-Wärmeübergangszahl gemäß dieser
Ausführungsform, das mit den Driftunterdrückungs-Rippensätzen 50a, 50b,
60a, 60b ausgestattet ist, verglichen mit dem Plattenwärmetauscher, der nicht
mit einem Driftunterdrückungs-Rippensatz ausgestattet ist, um etwa 10%
höher.
Andere Ausführungsformen
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Die vorhergehenden Ausführungsformen setzen eine Arbeitsweise ein, bei der
die ersten und zweiten Flüssigkeiten entlang der Diagonale der
Wärmeübertragungsplatten P1, P2, P3, P4 fließen. Die für die Flüssigkeitsströmung
eingesetzte Arbeitsweise ist jedoch nicht auf die obige Art beschränkt. Wie
beispielsweise in Fig. 8 dargestellt, können die erste Öffnung 21 und die dritte
Öffnung 23 als Einlaß bzw. Auslaß der ersten Flüssigkeit verwendet werden,
und die zweite Öffnung 22 und die vierte Öffnung 24 können als Einlaß bzw.
Auslaß der zweiten Flüssigkeit verwendet werden. Das heißt, der Einlaß und
Auslaß jeder Flüssigkeit kann so ausgebildet sein, daß sie parallel zueinander
stehen. Wenn diese Art eingesetzt wird, kann ein Plattenwärmetauscher
aufgebaut werden, indem eine Vielzahl von Wärmeübertragungsplatten eines Typs
einfach zusammengestellt werden, wobei sie abwechselnd umgedreht werden.
Dadurch wird nur eine einzige Art von Preßwerkzeug benötigt, um die
Wärmeübertragungsplatten für den Wärmetauscher durch Preßformung zu bilden. Das
ermöglicht eine Verringerung der Produktionskosten des Wärmetauschers.
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Die erste und zweite Flüssigkeit sind nicht auf R407C beschränkt, und es kann
sich um andere Kältemittel handeln. Weiterhin können die erste und zweite
Flüssigkeit aus Flüssigkeiten hergestellt sein, bei denen während des
Wärmeaustausches keine Phasenumwandlung vorkommt, beispielsweise Wasser oder
Kühlsole.
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Das Seitenverhältnis der Wärmeübertragungsplatte P1 bis P4 ist nicht auf 1,5
beschränkt und kann jeden beliebigen Wert unter oder gleich 2 haben.
Industrielle Anwendbarkeit
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Wie soweit schon beschrieben, kann die vorliegende Erfindung als
Wärmetauscher für Klimaanlagen, Kälteanlagen, Kühlsysteme oder Ähnlichem nützlich
eingesetzt werden.