EP1456591B1 - Vorrichtung zur wärmeübertragung - Google Patents

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EP1456591B1
EP1456591B1 EP02760144A EP02760144A EP1456591B1 EP 1456591 B1 EP1456591 B1 EP 1456591B1 EP 02760144 A EP02760144 A EP 02760144A EP 02760144 A EP02760144 A EP 02760144A EP 1456591 B1 EP1456591 B1 EP 1456591B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat transfer
pressure
low
small channels
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02760144A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1456591A1 (de
Inventor
Stephan Leuthner
Peter Satzger
Petra Kanters
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1456591A1 publication Critical patent/EP1456591A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1456591B1 publication Critical patent/EP1456591B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0068—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for refrigerant cycles
    • F28D2021/0073—Gas coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/104—Particular pattern of flow of the heat exchange media with parallel flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the invention relates to a device for heat transfer with a first channel through which a high-pressure side fluid flows and a second channel through which a low-pressure side fluid is separated from the first channel, wherein the device has a stacked construction heat transfer plates for the high-pressure fluid or the low-pressure fluid.
  • Such a heat exchanger is in an application as an internal heat exchanger of a CO 2 vehicle air conditioning from the status report no. 20 of the German refrigeration and air conditioning association with the title: "Carbon dioxide - peculiarities and opportunities for use as a refrigerant" known.
  • a flow module with a plurality of plate elements in which between adjacent plate elements flow spaces of a plurality of rectilinear, parallel flow channels are formed, which can be fed via supply and discharge channels alternately with a first and a second fluid.
  • the supply and discharge channels are formed by aligned openings in the plate elements.
  • These apertures in the plate elements of EP 0 805 328 have a plurality of webs for mechanical stabilization, wherein in profiled plate elements those webs which in the inlet region or outlet region of the Profiling are arranged to end below the plate element surface.
  • a heat exchanger system for the automotive sector which has a, traversed by a high-pressure side fluid first channel and a flow of a Bermos marcem fluid, separated from the first channel second channel.
  • the heat transfer device of WO 01/88454 A1 has a layered structure consisting of a plurality of heat transfer plates for the pressurized fluid and a plurality of low pressure fluid heat transfer plates, wherein the high pressure fluid may be a refrigerant and the low pressure fluid may be a liquid heat transfer fluid.
  • the heat exchanger according to the invention has a first fluid channel, through which a refrigerant is passed at high pressure, so that the high-pressure refrigerant with a heat transfer fluid, which has a low pressure and is passed through a second fluid channel of the heat exchanger, thermally interact can.
  • the refrigerant circuit is thermally coupled in this way, for example, with a cooling water circuit, so an advantageous circuit variant is possible, which brings the heat obtained from a heat pump operation of the air conditioning heat in the cooling water.
  • the cooling water circuit is the engine cooling circuit
  • the cooling water can be actively heated by the refrigeration cycle. With the thus heated cooling water can then, as usual in today's vehicles, the vehicle cab be heated.
  • a heating function of the refrigerant circuit via a so-called heating gas mode can be realized in an advantageous manner by means of the heat exchanger according to the invention.
  • the inventive device for heat transfer For example, cooling water, engine, engine and transmission oil are brought to operating temperatures before commissioning the vehicle. As a result, this leads to reduced emissions and a reduced consumption of the vehicle.
  • a refrigeration system operating in heat pump mode can thus also be advantageously used via the device according to the invention as a heater for a motor vehicle.
  • circuit arrangements are possible, which are used for pre-air conditioning of vehicles, for example, by the heated for example by sunlight vehicle cabin is conditioned for several minutes before the start of the journey.
  • a heat exchanger is necessary to deliver the heat of the refrigerant to the cooling water or other supplies.
  • This connecting member is advantageously the device according to the invention as a coupling heat exchanger.
  • the first, high-pressure side and the second, low-pressure side channel in the heat transfer device according to the invention are each formed from a plurality of formed in or on individual heat transfer plates small channels, such a heat exchanger can be very compact, ie with a small volume at the same time large heat-transferring surface. With a large number of small channels for both the high pressure heat transfer plates and the low pressure heat transfer plates, the heat transferring area of the device can be significantly increased.
  • this design allows a coupling heat exchanger, the different pressure levels on the. High pressure and the low pressure side can withstand.
  • the number of high-pressure heat transfer plates relative to the number of low-pressure heat transfer plates can be adapted to the respective requirements and the application of the heat exchanger according to the invention.
  • a suitable ratio of high pressure heat transfer plates to low pressure heat transfer plates can be realized in the device of the invention depending on the required heat transfer surface.
  • a very good heat transfer of the device according to the invention can be realized in an advantageous manner, when the small channels of the low pressure side are arranged substantially parallel to the small channels of the high pressure side.
  • this also makes it possible for the high-pressure-side refrigerant flow and the low-pressure-side fluid flow to be able to flow through the device according to the invention in a cocurrent or countercurrent principle.
  • the inflow or outflow of the small channels of the low pressure side of the heat exchanger takes place substantially in the direction of these channels. Since such small channels in heat exchangers generally lead to a high pressure loss, a plurality of such channels are used in a single heat transfer plate by parallel connection and additionally a parallel connection of several such heat transfer plates used in the device according to the invention. The straight course of the individual small channels in the heat transfer plates also contributes to the desired low pressure drop on the low pressure side of the device according to the invention.
  • the low-pressure fluid it is essential that it undergoes only a very small pressure loss when passing through the heat transfer device according to the invention, since too great a pressure loss would require the use of an additional, but at least a larger pump for circulating the low-pressure fluid.
  • this has a flange connection, which optimizes the flow or outflow, especially of the low-pressure fluid.
  • flange on the low-pressure side can also, for example, in an advantageous. Way be integrated into a housing or enclosure, which surrounds the actual heat exchanger and seals overpressure.
  • a fluid guide element can be used in one or more flanges of the device according to the invention.
  • These poidleitieri integrated in the flange allow in a simple and very advantageous manner, the influence of the fluid flow or the distribution of the fluid flow to the individual small channels of the device.
  • These guide elements can be embodied in an advantageous embodiment of the device according to the invention, for example as baffles, which divide the flange interior and thus deflect the low-pressure fluid flowing into the flange to a certain extent in order to distribute the flow of the fluid evenly. At the same time, the opening angle of the flow is reduced, which leads to a reduction of the flow pressure loss.
  • the low-pressure side flanges can for example be made of recyclable plastics, in particular by injection molding, resulting in low cost and low additional weight.
  • the flanges can also be integrated directly into a housing which surrounds the device according to the invention in a sealing manner and, for example, thereby also provides the required connection possibilities of the heat exchanger according to the invention to a cooling system or an air conditioning system.
  • the device according to the invention provides as high-pressure side refrigerant CO 2 and as a low-pressure side heat transfer fluid, a coolant, for example, the engine coolant of a motor vehicle before.
  • a coolant for example, the engine coolant of a motor vehicle before.
  • the heat exchanger according to the invention enables the coupling of vehicle air conditioning systems, which will have the refrigerant CO 2 due to legal regulations in the future, to the cooling circuit of the vehicle.
  • the engine coolant of the vehicle can be heated significantly faster in a cold start by a CO 2 air conditioning system of the vehicle operates as a heat pump.
  • the coolant can be used to deliver the heat of the refrigerant CO 2 to the cooling water or other operating materials by means of the coupling heat exchanger according to the invention.
  • Most upper and, increasingly, middle class vehicles are equipped with air conditioning as standard. These components can be used at low temperatures by reversing the refrigeration cycle as a heat pump.
  • the heat pump is characterized by low energy consumption and a spontaneous response at high heat output. This is for auxiliary heater concepts associated with Consumption-optimized engines, such as direct-injection diesel engines, are becoming more and more recent, with regard to safety and comfort a forward-looking concept.
  • the device according to the invention can be used to bring the heat obtained from a heat pump operation of the air conditioning heat in the cooling water of the motor vehicle
  • the device according to the invention thus constitutes a lightweight, compactly constructed coupling heat exchanger, which in particular withstands the existing high pressures of a refrigerant fluid and thereby causes as little pressure loss as possible, in particular for a liquid low-pressure heat transfer fluid.
  • the inventive heat exchanger for coupling a CO 2 heating or cooling circuit can be used with the cooling circuit of an internal combustion engine.
  • the first embodiment of a device 10 for heat transfer according to the invention comprises a plurality of heat transfer plates 12,14, of which only a few are shown in Figure 1 in a schematic representation to illustrate the structure of the heat exchanger.
  • the real heat exchanger has a plurality of such heat transfer plates 12,14. This is indicated by the points 16 in FIG.
  • the individual heat transfer plates 12,14 also called microchannel plates are layered one above the other, arranged between two end plates 22 and 24 and soldered against each other or welded.
  • the layered or stacked arrangement of the heat transfer plates 12,14 is not limited to flat plates, as shown in Figure 1. Rather, in other embodiments of the device according to the invention also curved plates or a cup-shaped or concentric arrangement of corresponding heat transfer plates can be used. In this sense, the term stackable arranged heat transfer plates hereinafter only one possible embodiment and no limitation of the device according to the invention.
  • the stack-shaped arrangement of the heat transfer plates 12 and the heat exchanger according to the embodiment of Figure 1 results in a main body 18 of the device 10 according to the invention.
  • the device according to the invention can, for example, allow heat exchange between a not shown high-pressure side heat or refrigeration cycle and a low pressure side cooling circuit.
  • the pressures on the high pressure side of this system range from 0 to about 250 bar, with a typical high pressure working pressure of about 130 bar.
  • the pressures are on the low pressure side typically between 0 and about 10 bar with a preferred pressure of about 3 bar.
  • high-pressure-side heat transfer plates 12 alternate with low-pressure-side heat transfer plates 14 in the stack.
  • a suitable ratio of high pressure channel plates 12 to low pressure channel plates 14 can be selected.
  • a high-pressure side channel plate 12 two low-pressure side channel plates 14, in turn, followed by a high-pressure side channel plate 14.
  • a number between twenty and thirty may be considered.
  • the high pressure side channel plates of the heat exchanger according to Figure 1 are connected by two connecting channels 26 and 28 with each other.
  • the connecting channels 26 and 28 open into an inlet 30 and an outlet channel 32 of the high-pressure side of the device 10 according to the invention.
  • the inlet channel 30 and the outlet channel 32 of the device according to the invention are in the form of connecting pieces 31 and 33, respectively, for connection lines, not shown, for example, of a refrigeration cycle formed of an air conditioner.
  • the heat transfer plates 12 and 14 of the device 10 is a plurality of substantially parallel to each other arranged small channels 34 and 42, of which in Figure 1, only the low-pressure side channels 42 of the heat transfer plates 14 can be seen.
  • the small channels 34 and 42 provide separately for the high pressure side and the low pressure side a connection between the Inlet region of the heat exchanger and the outlet region forth through which the high-pressure side and the low-pressure side fluid is passed.
  • the high-pressure side fluid enters the heat exchanger via the inlet port 31 and is distributed via the connecting channel 26 to the individual high-pressure-side heat transfer plates 12.
  • the high-pressure-side fluid flows through the plurality of high-pressure-side heat transfer plates 12 and thereby releases its heat content to the main body 18 of the device 10.
  • the heat transfer plates 12, 14, which construct the main body 18, are typically made of copper in order to prevent corrosion and to ensure a good thermal conductivity between the individual transfer plates 12 and 14.
  • the high-pressure side fluid in the connecting channel 28 is collected again and passed through this channel 28 to the outlet channel 32 of the high-pressure side of the device 10 according to the invention.
  • the connecting channel 26 is in open communication with individual, small channels 34 which are worked out in the heat transfer plates 12.
  • the small channels 34 are formed and are separated by webs 35.
  • the heat transfer plates 12 of the device 10 for Heat transfer has a plurality of such channels 34, so that the representation in Figure 5 can be regarded in this regard only as a symbolic, the basic structure reproducing representation.
  • These small channels 34 direct the high-pressure fluid, coming from the connecting channel 26, through an inlet region 36 and a region of parallel small channels 38 to an outlet region 40, which in turn opens into the connecting channel 28. Except for the inlet region 36 and the outlet region 40, the course of the small channels in the embodiment of Figure 5 is parallel, so that the overall course of the high pressure side connecting channels 34 should be considered as substantially parallel.
  • the individual high-pressure side heat transfer plates 12 communicate with each other, so that the refrigerant flowing into the device 10 according to the invention through the inlet channel 30 is distributed to the individual, high-pressure side channel plates 14 (heat transfer plates).
  • the high-pressure-side connecting channels 26 and 28 are not in open communication with the low-pressure side heat transfer plates 14, as shown for example in Figure 5, the exemplary representation of a low-pressure side heat transfer plate 14.
  • the inlet passage 30, the communication passage 26, the high pressure side small passages 34, the communication passage 28, and the outlet passage 32 together constitute the high pressure side passage of the heat exchanger.
  • Each low-pressure side heat transfer plate 14 also has a plurality of small channels 42, which are substantially parallel to each other, as for example in Figure 5, an exemplary representation of a low-pressure side heat transfer plate 14 can be seen.
  • the small channels 42 of the low-pressure heat transfer plates 14 extend continuously from a first end face 44 of the heat transfer plates 14 to a second end face 46 heat transfer plates 14.
  • the small channels 42 are formed, inter alia, by webs 43 in the heat transfer plates fourteenth
  • the low-pressure-side channel of the device according to the invention according to the embodiment of Figure 1 is formed by the plurality of fluidly arranged parallel to each other small channels 42nd
  • the small channels 34 and 42 of the high pressure or low pressure side heat transfer plates are arranged substantially parallel to each other, so that a DC or a countercurrent heat exchanger can be realized.
  • the small channels 42 of the low-pressure side and the corresponding channels 34 on the high-pressure side may for example be etched out of the plate material of the heat transfer plates 12 and 14, respectively, the webs 35 and 43, which separate the individual channels of a plate could be applied to the plate material.
  • Other, known to those skilled in manufacturing methods for such microchannel plates are of course also possible.
  • FIG. 2 shows a plan view of the end face 44 of the device 10 according to the invention as shown in FIG.
  • On the end plate 24 are alternately a high-pressure side heat transfer plate 12 combined with two low-pressure side heat transfer plates 14.
  • the high-pressure side heat transfer plates 12 are connected via the inlet channel 30 and the outlet channel 32 and the connection channels 26 and 28, not shown in Figure 2 with each other.
  • the low-pressure side heat transfer plates 14 have no fluidic connection with each other.
  • Such a connection of the low-pressure-side heat transfer plates 14 can take place, for example, by means of a flange connection to the main body 18 of the device according to the invention, as shown in the further description in various embodiments.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • the inventive device 110 according to FIG. 3 again consists of a stacked arrangement of a multiplicity of two low-pressure-side channel plates 114, which are alternately mechanically connected to a high-pressure-side channel plate 112, so that in turn a corresponding main body 118 of the heat exchanger is formed.
  • the main body 118 of the heat exchanger according to the embodiment of Figure 3 is traversed in the manner already described on the one hand by a high-pressure fluid and on the other hand by a low-pressure fluid, so that at this point not further discussed.
  • the base body 118 of the device according to the invention is surrounded by a housing 152, which has an inlet channel 154 and an outlet channel 156 on the low-pressure side.
  • the housing also has two openings 178 and 180, respectively, through which the inlet 130 and outlet channels 132 of the high-pressure side of the device according to the invention are guided.
  • the interior of the housing 152, which receives the main body 118 and the actual heat exchanger, is sealed by means of corresponding sealing means, for example sealing rings 184, with respect to the inlet channel 130 and the outlet channel 132, respectively.
  • the low-pressure side inlet channel 154 and the outlet channel 156 of the low-pressure fluid are each in the form of a flange 153 or 155, which are connected in a sealing manner with a central part 158 of the housing 152.
  • This central part 158 of the housing 152 surrounds the main body 118 of the heat exchanger.
  • connection flange connections 153 or 155 For sealing the flange connections 153 or 155, as shown in the exemplary embodiment of FIG. 3, a respective sealing ring 160 or 162 between the connection flange 153 and the central part 158 of the housing 152 or between the central part 158 of the housing 152 and the Connection flange 155 inserted.
  • the connecting flanges 153 and 155 are formed so that they can be fitted tightly into corresponding lines 164 and 166, for example, the engine cooling circuit of a motor vehicle.
  • connection flange 153 or 156 A possible embodiment of such a connection flange 153 or 156 is shown in FIG.
  • the flange 253 has a spigot 268 for connection to a conduit system.
  • a flange On the side facing the heat exchanger 270, such a flange may have a recess 272 for receiving a flat gasket, not shown, for example, a paper seal.
  • the connection flange 253 has according to Figure 7, a number of baffles 274, which are inserted or glued in grooves 276, which are milled into the flange 253, for example.
  • the opening angle of the low-pressure side flow is reduced by the baffles 274, which in turn leads to a reduction of the flow pressure loss.
  • the flange 253 can be tightly connected via fastening means 273 to the central part 158 of the housing 152.
  • the low-pressure side connecting flange 153, 155 or 253 can be made, for example, from a metal, such as copper or preferably also from plastic.
  • the baffles present in the low-pressure side flange do not necessarily have to be made of metal. Baffles Another material, for example, plastic are also possible, so that the term of the sheets is not to be seen as a restriction.
  • the entire housing 152 of the device 110 according to the invention of FIG. 3 can be made of plastic, so that, for example, the connection flanges 153, 155 or 253 of the device 110 can also be formed integrally with the central part 158 of the housing 152.
  • the flange 153 or 155 and in particular the means for uniform distribution of the flow, or for influencing the opening angle of the flow can thus be integrated directly into the housing 152 of the device according to the invention.
  • the housing 152 should additionally have a cover in order to be able to introduce the actual heat exchanger, the main body 118 of the device 110 according to the invention, into the housing 152.
  • the lid of this housing then also contains the two passages for the high-pressure connections 132 and 130, which in turn seal the low-pressure fluid to the environment via a seal, for example an O-ring or an adhesive bond.
  • the cover can either be connected to the housing via a non-detachable connection, for example welding, gluing, soldering or via a screw connection or other relevant connection methods. In the case of a screw connection, however, a further seal would be required for the housing.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • the basic stack-wise or layered structure of the main body 218 of the embodiment in Figure 6 is similar to the embodiments of the heat exchanger in Figures 1,2 or 3, so that it will not be discussed again at this point.
  • the heat transfer plates 12 and 14 of the device 210 according to the invention according to Figure 6 nose-shaped, rectangular in the embodiment formations 286, which, when the individual heat transfer plates 212 and 214 are arranged in the manner described above one above the other, massive, rectangular protrusions 288 at the corners of the main body 218 of the device 210 result.
  • a flange for a low-pressure side system attached for example, be screwed without the course of both the high-pressure side and the low-pressure side small channels in the individual heat transfer plates 212 and 214 is influenced due to the fastening means for the low pressure flange, so that a aerodynamically optimized course, in particular the small channels 214 is possible.
  • the course of the small channels on the low pressure side must be carefully chosen, since it is important to prevent excessive pressure loss especially on this side of the heat exchanger.
  • Such pressure loss depends on the velocity of the fluid, its fluid properties in the process respective prevailing temperature and the geometry of the small channels.
  • the projections 288 for attaching a low-pressure side flange on the main body 218 may extend over the full height 219 of the body 218 of the device, as shown in Figure 6 at the rear, the high pressure side outlet port 232 facing end 290 of the body 218 or alternatively each only extend over a portion of the height, as shown at the front, the high-pressure side inlet channel 230 facing the end 292 of the main body 218 of the device according to the invention in the form of two laterally arranged protrusions 294 and 296 and 295 and 297, respectively.
  • the mounting projections it is possible to attach each of the low-pressure flanges individually on the body 218 of the heat exchanger directly, so that, for example, a mutual bracing of the flanges between them, threaded rods or similar means is no longer necessary.
  • Figure 8 shows a fourth embodiment of the device according to the invention for heat transfer, which shows a further, slight modification compared to the embodiment of Figure 6.
  • the basic construction of the heat exchanger in FIG. 8 corresponds to the stacked construction of various heat transfer plates 312 and 314, as has already been described in detail in connection with the exemplary embodiments in FIG. 6, FIG. 3 and FIG.
  • the main body 318 of the apparatus has a plurality of high pressure side 312 and low pressure side heat transfer plates 314, which are combined in a desired relative number to each other depending on the requirements of the heat exchanger.
  • the high-pressure side heat transfer plates 312 are connected to each other via connecting channels 326 and 328, not shown.
  • the connecting channels 326 and 328 in the main body 318 of the device open into an inlet channel 330 and at the other end in an outlet channel 332.
  • the inlet channel 330 and the outlet channel 332 are also connected in the embodiment of Figure 8 as a connecting piece firmly with an upper end plate 322.
  • connection of the inlet channel 330 with the outlet channel 332 is realized by a plurality of small fluidically parallel channels in the high pressure side heat transfer plates 312.
  • the individual, high-pressure-side heat transfer plates 312 in turn are also fluidically connected in parallel to one another, between the connecting channel 326 and the connecting channel 328.
  • FIG. 10 shows an example of a high-pressure side heat transfer plate 312 of the device according to the invention according to the embodiment of Figure 8.
  • the plate has recesses 390 and 392, 318 in the base body bores 394 and 396 results, by means of which a low-pressure side flange directly to the main body 318 of Device 310 according to the invention can be attached, as has been described, for example, analogously in connection with Figure 6.
  • the bores 394 and 396 can also be subsequently introduced into the main body 318, which leads to a simplification of the heat exchanger plates.
  • the connecting channels 326 and 328 are arranged in the mounting projections 388 of the main body 318. For this reason, at least the two, the connecting channels 326 and 328 receiving projections 388 must extend over the full height 319 of the body 318.
  • the two remaining attachment projections 394 or 395 can, as shown in FIG. 6, optionally extend over the entire height 219 of the base body 318 or, for reasons of weight, as shown in FIG. 8, can only be configured as large as necessary for receiving the fastening means for the low-pressure side flanges is.
  • Figure 9 shows such a low-pressure side heat transfer plate 314 with straight, between the two end faces 344 and 346 parallel extending small channels 342, which are separated by respective webs 343.
  • the pressure loss of the low-pressure-side fluid above the heat exchanger is further reduced.
  • the device according to the invention is not limited to the exemplary embodiments illustrated in the figures.
  • the device according to the invention is in particular not limited to the use as a coupling heat exchanger between the refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle and the coolant circuit, for example, an internal combustion engine of this motor vehicle.
  • Such a heat exchanger according to the invention can be used wherever heat is to be exchanged between a refrigerant under high pressure and a liquid heat carrier fluid under low pressure.
  • the device according to the invention can also be used in stationary heat or air conditioning systems.
  • the heat exchanger according to the invention can also be used in sterling machines, which also operate at very high pressures (50-150 bar) and which are cooled or heated with liquid.
  • the device according to the invention can be used as a pure heat exchanger, but also as a reactor.
  • the heat exchanger can be used as an evaporator, for example for cooling of cooling water or to use the heat contained therein.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit einem von einem hochdruckseitigen Fluid durchströmten ersten Kanal sowie einem von einem niederdruckseitigen Fluid durchströmten zweiten Kanal, der vom ersten Kanal getrennt ist, wobei die Vorrichtung einen stapelförmigen Aufbau Wärmeübertragungsplatten für das Hochdruckfluid bzw. das Niederdruckfluid aufweist.
  • Ein derartiger Wärmeübertrager ist in einer Anwendung als innerer Wärmeübertrager einer CO2-Fahrzeugklimaanlage aus dem Statusbericht No. 20 des deutschen kälte- und klimatechnischen Vereins mit dem Titel: "Kohlendioxid - Besonderheiten und Einsatzchancen als Kältemittel" bekannt.
  • In Hinsicht auf die Vorschriften und Regelungen für den Ausstieg aus der Anwendung von FCKW-haltigen Kältemitteln nimmt das Interesse an natürlichen Kältemitteln als Alternative zu FCKW zu.
  • Aus der EP 0 805 328 ist ein Strömungsmodul mit einer Mehrzahl von Plattenelementen bekannt, bei dem zwischen benachbarten Plattenelementen Strömungsräume aus einer Mehrzahl geradliniger, paralleler Strömungskanäle gebildet werden, die über Zu- und Abfuhrkanäle alternierend mit einem ersten und einem zweiten Fluid beschickt werden können. Dabei sind die Zu- und Abfuhrkanäle durch miteinander fluchtende Durchbrechungen in den Plattenelementen gebildet. Diese Durchbrechungen in den Plattenelementen der EP 0 805 328 weisen mehrere Stege zur mechanischen Stabilisierung auf, wobei in profilierten Plattenelementen diejenigen Stege, welche im Einlaufbereich oder Auslaufbereich der Profilierung angeordnet sind, unterhalb der Plattenelementoberfläche enden.
  • Aus der WO 01/88454 A1 ist ein Wärmetauschersystem für den Automobilbereich bekannt, welches einen, von einem hochdruckseitigem Fluid durchströmten ersten Kanal und einen von einem niederdruckseitigem Fluid durchströmten, vom ersten Kanal getrennten zweiten Kanal aufweist. Die Vorrichtung zur Wärmeübertragung der WO 01/88454 A1 besitzt einen geschichteten, aus mehreren Wärmeübertragungsplatten für das Nochdruckfluid und mehreren Wärmeübertragungsplatten für das Niederdruckfluid bestehenden Aufbau, wobei das Hochdruckfluid ein Kältemittel und das Niederdruckfluid ein flüssiges Wärmeträgerfluid sein kann.
  • Aus der WO 01/69157 A2 ist ein Wärmeübertrager mit einem von einem hochdruckseitigem Kältemittelstrom in einer ersten Richtung durchströmten ersten Kanal und einem von einem niederdruckseitigem Kältemittel in einer zur ersten Richtung entgegen gesetzten zweiten Richtung durchströmten, vom ersten Kanal getrennten, zweiten Kanal bekannt, bei dem der erste und der zweite Kanal jeweils eine Vielzahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsblechen gebildeten kleinen Kanälen aufweisen, wobei mehrere Lagen der Wärmeübertragungsbleche alternierend miteinander verlötet oder verschweißt sind.
    • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besitzt einen ersten Fluid-Kanal, durch den ein Kältemittel bei hohem Druck geleitet wird, so dass das Hochdruck-Kältemittel mit einem Wärmeträgerfluid, welches einen niederen Druck aufweist und-durch einen zweiten Fluid-Kanal des Wärmetauschers geleitet wird, thermisch wechselwirken kann.
  • In dieser Weise ist es möglich, Wärme von einem Kältemittelkreislauf, vorzugsweise einer Klimaanlage, an ein flüssiges Medium, vorzugsweise ein Wärmeträgermedium, abzugeben und zwar so, dass bei stabiler, leichter und kompakter Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung viel Wärme bei gleichzeitig niedrigen Druckverlusten in den Fluiden übertragen werden kann.
  • Wird der Kältemittelkreislauf auf diese Art beispielsweise mit einem Kühlwasserkreislauf thermisch gekoppelt, so ist eine vorteilhafte Schaltungsvariante möglich, die die aus einem Wärmepumpenbetrieb der Klimaanlage gewonnene Wärme in das Kühlwasser einbringt. Handelt es sich bei dem Kühlwasserkreislauf beispielsweise um den Motorkühlkreislauf, so kann das Kühlwasser durch den Kältekreislauf aktiv erwärmt werden. Mit dem so erwärmten Kühlwasser kann dann, wie bei heutigen Fahrzeugen üblich, die Fahrzeugkabine geheizt werden. Auch eine Heizfunktion des Kältemittelkreislaufs über einen so genannten Heizgasmodus lässt sich in vorteilhafter Weise mittels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers realisieren.
  • Somit können in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung beispielsweise auch Kühlwasser, Motor, Motor- und Getriebeöl vor Inbetriebnahme des Fahrzeugs auf betriebsnahe Temperaturen gebracht werden. Dies führt in der Folge zu verringerten Emissionen und einem verringerten Verbrauch des Fahrzeuges.
  • Insbesondere kann auf mechanische oder chemische Zuheizer, wie sie heutzutage in Fahrzeugen aufgrund der geringen Wärmeabgabe des Verbrennungsmotors notwendig werden, verzichtet werden. Eine im Wärmepumpenmodus arbeitende Kälteanlage lässt sich somit in vorteilhafter Weise über die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Zuheizer für ein Kraftfahrzeug nutzten.
  • Des weiteren sind Schaltungsanordnungen möglich, die zur Vorklimatisierung von Fahrzeugen dienen, indem die beispielsweise durch Sonneneinstrahlung aufgeheizte Fahrzeugkabine vor Fahrtbeginn einige Minuten klimatisiert wird. Für diese Schaltungsanordnung ist ein Wärmeübertrager notwendig, um die Wärme des Kältemittels an das Kühlwasser bzw. weitere Betriebsstoffe abzugeben. Dieses Verbindungsglied stellt in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung als Koppelwärmetauscher dar.
  • Dadurch, daß der erste, hochdruckseitige und der zweite, niederdruckseitige Kanal in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung jeweils gebildet werden aus einer Vielzahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsplatten ausgebildeten kleinen Kanälen, läßt sich ein solcher Wärmeübertrager sehr kompakt, d.h. mit einem kleinen Bauvolumen bei gleichzeitig großer wärmeübertragender Fläche, herstellen. Durch eine große Anzahl der kleinen Kanäle sowohl für die Hochdruck-Wärmeübertragungsplatten als auch für die Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten kann die wärmeübertragende Fläche der Vorrichtung deutlich vergrößert werden.
  • Insbesondere ermöglicht diese Bauweise einen Koppelwärmeübertrager, der den unterschiedlichen Druckniveaus auf der. Hochruck- und der Niederdruckseite standhalten kann.
  • In vorteilhafter Weise läßt sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung die Anzahl der Hochdruck-Wärmeübertragungsplatten relativ zur Anzahl der Niederdruck-Wärmeübertraungsplatten den jeweiligen Erfordernissen und der Anwendung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers anpassen. Es kann, von einer alternierenden stapelförmigen Anordnung von Hochdruck-Wärmeübertragungsplatten und Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten abweichend, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung je nach benötigter Wärmeübertragungsfläche ein geeignetes Verhältnis von Hochdruck-Wärmeübertragüngsplatten zu Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten realisiert werden.
  • Um die Druckverluste, speziell auf der Niederdruckseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung, möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, die kleinen Kanäle in den Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten parallel zueinander verlaufen zu lassen. Dadurch können entweder die Niederdruckkanäle enger gestaltet werden, wodurch eine höhere wärmeübertragende Fläche pro Niederdruck-Wärmeübertragungsplatte geschaffen wird. Dies wiederum führt zu einem insgesamt kleineren Wärmeüberträger, der dann die gleiche Wärmeleistung mit weniger Platten übertragen kann. Zum anderen kann bei gleichgebliebener Kanalbreite der kleinen Kanäle der Wärmeübertragungsplatten und gleicher Anzahl von Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten dann aber eine kleinere Pumpe im Gesamtkreislauf eingesetzt werden, die wiederum zu Massen- und Kosteneinsparungen des Gesamtsystems führt.
  • Eine sehr gute Wärmeübertragung der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich in vorteilhafter Weise realisieren, wenn die kleinen Kanäle der Niederdruckseite im wesentlichen parallel zu den kleinen Kanälen der Hochdruckseite angeordnet sind. Dies ermöglicht neben einer sehr guten Wärmeübertragung zwischen dem Hochdruckmedium und dem Niederdruckmedium zudem auch, daß der hochdruckseitige Kältemittelstrom und der niederdruckseitige Fluidstrom wahlweise im Gleich- oder Gegenstromprinzip die erfindungsgemäße Vorrichtung durchströmen können.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die An- bzw. Abströmung der kleinen Kanäle der Niederdruckseite des Wärmeübertragers im wesentlichen in Richtung dieser Kanäle. Da solch kleine Kanäle in Wärmeübertragern im Allgemeinen zu einem hohen Druckverlust führen, wird eine Vielzahl solcher Kanäle in einer einzelnen Wärmeübertragungsplatte durch Parallelschaltung benutzt und zusätzlich eine Parallelschaltung mehrerer solcher Wärmeübertragungsplatten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt. Der gerade Verlauf der einzelnen kleinen Kanäle in den Wärmeübertragungsplatten trägt zudem zu dem gewünschten, geringen Druckverlust auf der Niederdruckseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei. Speziell für das Niederdruckfluid ist es wesentlich, daß es bei der Passage durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung nur einen sehr geringen Druckverlust erfährt, da ein zu großer Druckverlust den Einsatz einer zusätzlichen, zumindest jedoch einer größeren Pumpe zur Umwälzung des Niederdruckfluids erforderlich machen würde.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung besitzt diese einen Flanschanschluss, der die Anströmung bzw. Abströmung speziell des Niederdruckfluids optimiert. Ein solcher Flansch auf der Niederdruckseite kann auch beispielsweise in vorteilhafter. Weise in ein Gehäuse oder eine Umhüllung integriert sein, die den eigentlichen Wärmeübertrager umgibt und überdruckfest abdichtet.
  • Um die Druckverluste, speziell auf der Niederdruckseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung, zu minimieren, kann ein Fluidleitelement in einem oder mehreren Flanschen der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt sein. Diese in den Flansch integrierten Flüidleitelemente gestatten in einfacher und sehr vorteilhafter Weise die Beeinflussung der Fluidströmung beziehungsweise die Verteilung der Fluidströmung auf die einzelnen kleinen Kanäle der Vorrichtung. Diese Leitelemente können in einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, beispielsweise als Leitbleche, ausgeführt sein, die den Flanschinnenraum unterteilen und so das in den Flansch einströmende Niederdruckfluid in gewissen Maßen umlenken, um die Strömung des Fluids gleichmäßig zu verteilen. Dabei wird gleichzeitig der Öffnungswinkel der Strömung verkleinert, was zu einer Verringerung des Strömungsdruckverlustes führt.
  • In vorteilhafter Weise können die niederdruckseitigen Anschlußflansche beispielsweise aus recyclebaren Kunststoffen, insbesondere im Spritzgußverfahren, hergestellt werden, was zu niedrigen Kosten und einem geringen Zusatzgewicht führt. Alternativerweise können die Flansche auch direkt in ein Gehäuse integriert sein, das in abdichtender Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung umgibt und beispielsweise dadurch auch die erforderlichen Anschlußmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers an ein Kühlsystem bzw. eine Klimaanlage bereitstellt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die An- bzw.
  • Abströmung der niederdruckseitigen kleinen Kanäle im Wärmeübertrager in einer Ebene senkrecht zur Ebene der An- bzw. Abströmung der Hochdruckseite. Diese Ausführungsform gestattet die einfache und platzsparende Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kühl- bzw. Heizsystem. Insbesondere können in dieser Ausführungsform speziell die niederdruckseitigen kleinen Kanäle in Ihrem Verlauf strömungstechnisch optimiert werden, da die Hochdruck- beziehungsweise Niederdrucksammelkanäle, die zu den einzelnen kleinen Kanälen der Wärmeübertragungsplatten führen in verschiedenen Ebenen verlaufen.
  • Eine weitere, sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht als hochdruckseitiges Kältemittel CO2 und als niederdruckseitiges Wärmeträgerfluid ein Kühlmittel, beispielsweise die Motorkühlflüssigkeit eines Kraftfahrzeuges vor. In dieser Ausgestaltung ermöglicht der erfindungsgemäße Wärmeüberträger die Kopplung von Fahrzeugklimaanlagen, die in Zukunft aufgrund gesetzlicher Regelungen das Kältemittel CO2 aufweisen wird, an den Kühlkreislauf des Fahrzeuges. In vorteilhafter Weise kann somit beispielsweise die Motorkühlflüssigkeit des Fahrzeugs bei einem Kaltstart deutlich schneller erwärmt werden, indem eine CO2-Klimaanlage des Fahrzeuges als Wärmepumpe arbeitet. Andererseits kann beispielsweise das Kühlmittel genutzt werden, um mittels des erfindungsgemäßen Koppelwärmeübertragers die Wärme des Kältemittels CO2 an das Kühlwasser bzw. weitere Betriebsstoffe abzugeben. Die meisten Fahrzeuge der Ober- und zunehmend auch der Mittelklasse werden standardmäßig mit einer Klimaanlage ausgestattet. Diese Komponenten können bei tiefen Temperaturen durch eine Umkehrung des Kältekreislaufs als Wärmepumpe genutzt werden. Die Wärmepumpe zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch und ein spontanes Ansprechverhalten bei hoher Heizleistung aus. Dies ist für Zuheizerkonzepte, die im Zusammenhang mit verbrauchsoptimierten Motoren, beispielsweise direkteinspritzenden Dieselmotoren, immer aktueller werden, hinsichtlich Sicherheit und Komfort ein zukunftsweisendes Konzept. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu verwendet werden, die aus einem Wärmepumpenbetrieb der Klimaanlage gewonnene Wärme in das Kühlwasser des Kraftfahrzeuges einzubringen
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit einen leichten, kompakt gebauten Koppelwärmeübertrager dar, der im Speziellen den vorhandenen hohen Drücken eines Kältemittelfluids standhält und dabei möglichst wenig Druckverlust, insbesondere für ein flüssiges Niederdruck-Wärmeträgerfluid, verursacht. Insbesondere kann der erfindungsmäßige Wärmetauscher zur Kopplung eines CO2-Heiz- bzw. Kühlkreislaufs mit dem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors genutzt werden.
    • Zeichnung
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine vereinfachte, perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung in einer schematisierten Darstellung,
    Figur 2
    eine Ansicht der Stirnseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 1,
    Figur 3
    einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 4
    eine Aufsicht auf eine hochdruckseitige Wärmeübertragungsplatte,
    Figur 5
    eine Aufsicht auf eine niederdruckseitige Wärmeübertragungsplatte,
    Figur 6
    eine vereinfachte, perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 7
    einen niederdruckseitigen Anschlußflansch in perspektivischer Darstellung,
    Figur 8
    ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vereinfachten, schematisierten perspektivischen Darstellung,
    Figur 9
    eine Aufsicht auf eine niederdruckseitige Wärmeübertragungsplatte gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 10
    eine Aufsicht auf eine hochdruckseitige Wärmeübertragungsplatte gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.
  • Das in Figur 1 dargestellte, erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Wärmeübertragung weist eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsplatten 12,14 auf, von denen in Figur 1 nur einige in schematischer Darstellung gezeigt sind, um den Aufbau des Wärmeübertragers zu verdeutlichen. Der reale Wärmeübertrager weist eine Vielzahl solcher Wärmeübertragungsplatten 12,14 auf. Dies sei durch die Punkte 16 in Figur 1 angedeutet. Die einzelnen Wärmeübertragungsplatten 12,14, auch Mikrokanalplatten genannt, sind schichtförmig übereinander, zwischen zwei Abschlußplatten 22 beziehungsweise 24 angeordnet und gegeneinander verlötet oder verschweißt.
    Die schichtförmige oder auch stapelförmige Anordnung der Wärmeübertragungsplatten 12,14 ist nicht auf ebene Platten, wie sie in der Figur 1 dargestellt ist, beschränkt. Vielmehr können in anderen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch gekrümmte Platten oder auch eine schalenförmige beziehungsweise konzentrische Anordnung von entsprechenden Wärmeübertragungsplatten genutzt werden. In diesem Sinne stellt der Begriff der stapelförmig angeordneten Wärmeübertagungsplatten im Weiteren nur ein mögliches Ausführungsbeispiel und keinerlei Beschränkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
  • Die stapelförmige Anordnung der Wärmeübertragungsplatten 12 beziehungsweise des Wärmeübertragers nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ergibt einen Grundkörper 18 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise einen Wärmeaustausch zwischen einem nicht weiter dargestellten, hochdruckseitigen Wärme- oder Kältekreislauf und einem niederdruckseitigen Kühlkreislauf ermöglichen. Die Drücke auf der Hochdruckseite dieses Systems liegen in einem Bereich von 0 bis ca. 250 bar, bei einem typischen Arbeitsdruck der Hochdruckseite von ungefähr 130 bar. Die Drücke auf der Niederdruckseite liegen typischerweise zwischen 0 und ungefähr 10 bar mit einem bevorzugten Druck von ungefähr 3 bar.
  • In der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wechseln sich hochdruckseitige Wärmeübertragungsplatten 12 mit niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 14 im Stapel ab. Je nach benötigter Wärmeübertragungsfläche kann ein geeignetes Verhältnis von Hochdruck-Kanalplatten 12 zu Niederdruck-Kanalplatten 14 gewählt werden. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 folgen auf eine hochdruckseitige Kanalplatte 12 zwei niederdruckseitige Kanalplatten 14, an die sich wiederum eine hochdruckseitige Kanalplatte 14 anschließt. Als typischer Wert für die Anzahl beispielsweise der niederdruckseitigen Kanalplatten 14 kann eine Zahl zwischen zwanzig und dreissig angesehen werden.
  • Die hochdruckseitigen Kanalplatten des Wärmeübertragers gemäß Figur 1 sind durch zwei Verbindungskanäle 26 beziehungsweise 28 untereinander verbunden. Die Verbindungskanäle 26 beziehungsweise 28 münden in einen Einlaß- 30 und einen Auslasskanal 32 der Hochdruckseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Der Einlasskanal 30 beziehungsweise der Auslasskanal 32 der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Ausführungsbeispiel in Form von Anschlussstutzen 31 beziehungsweise 33 für nicht weiter dargestellte Verbindungsleitungen beispielsweise eines Kältekreislaufes einer Klimaanlage ausgeformt.
  • In den Wärmeübertragungsplatten 12 beziehungsweise 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 befindet sich eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten kleinen Kanälen 34 beziehungsweise 42, von denen in Figur 1 nur die niederdruckseitigen Kanäle 42 der Wärmeübertragungsplatten 14 zu sehen sind. Die kleinen Kanäle 34 beziehungsweise 42 stellen jeweils für die Hochdruckseite und die Niederdruckseite getrennt eine Verbindung zwischen dem Einlassbereich des Wärmetauschers und dessen Auslassbereich her durch die das hochdruckseitige beziehungsweise das niederdruckseitige Fluid geleitet wird.
  • Das hochdruckseitige Fluid tritt über den Einlaßstutzen 31 in den Wärmeübertrager ein und wird über den Verbindungskanal 26 auf die einzelnen hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 12 verteilt. Das hochdruckseitige Fluid durchströmt die Vielzahl der hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 12 und gibt dabei seinen Wärmeinhalt an den Grundkörper 18 der Vorrichtung 10 ab. Die den Grundkörper 18 aufbauenden Wärmeübertragungsplatten 12,14 bestehen typischerweise aus Kupfer, um Korrosionen zu vermeiden und eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den einzelnen Übertragungsplatten 12 beziehungsweise 14 zu gewährleisten.
  • Andere Werkstoffe, wie beispielsweise Kupferlegierungen, Edelstahl oder beispielsweise auch Aluminium können ebenfalls in vorteilhafter Weise für die Wärmeübertragungsplatten und damit für den Grundkörper 18 der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt werden.
  • Nach Wärmeabgabe an den Grundkörper 18 des Wärmeübertragers wird das hochdruckseitige Fluid im Verbindungskanal 28 wieder gesammelt und durch diesen Kanal 28 zum Auslaßkanal 32 der Hochdruckseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 geleitet.
  • Wie in der Aufsicht einer hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatte 12 in Figur 4 zu erkennen ist, steht der Verbindungskanal 26 in offener Verbindung mit einzelnen, kleinen Kanälen 34 die in den Wärmeübertragungsplatten 12 ausgearbeitet sind. Die kleinen Kanäle 34 werden gebildet und sind getrennt voneinander durch Stege 35. Die Wärmeübertragungsplatten 12 der Vorrichtung 10 zur Wärmeübertragung besitzt eine Vielzahl von solchen Kanälen 34, so dass die Darstellung in Figur 5 in dieser Hinsicht nur als symbolische, den prinzipiellen Aufbau wiedergebende Darstellung angesehen werden kann. Diese kleinen Kanäle 34 leiten das Hochdruckfluid, vom Verbindungskanal 26 kommend, über einen Einlaßbereich 36 und einem Bereich paralleler kleiner Kanäle 38 zu einem Auslaßbereich 40, der wiederum in den Verbindungskanal 28 mündet. Bis auf den Einlaßbereich 36 beziehungsweise den Auslaßbereich 40 ist der Verlauf der kleinen Kanäle im Ausführungbeispiel der Figur 5 parallel, so daß der Gesamtverlauf der hochdruckseitigen Verbindungskanäle 34 als im Wesentlichen parallel angesehen werden soll.
  • Über die Verbindungskanäle 26 und 28 stehen die einzelnen hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 12 untereinander in Verbindung, so daß das in die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 durch den Einlasskanal 30 einströmende Kältemittel auf die einzelnen, hochdruckseitigen Kanalplatten 14 (Wärmeübertragungsplatten) verteilt wird. Die hochdruckseitigen Verbindungskanäle 26 beziehungsweise 28 stehen jedoch nicht in offener Verbindung mit den niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 14, wie es beispielsweise auch in Figur 5, der exemplarischen Darstellung einer niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatte 14, zu sehen ist.
  • Der Einlasskanal 30, der Verbindungskanal 26, die hochdruckseitigen kleinen Kanäle 34, der Verbindungskanal 28 und der Auslasskanal 32 bilden zusammen den hochdruckseitigen Kanal des Wärmeübertragers.
  • Anforderung an die Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten 14 ist es, einen geringen Druckverlust bei gleichzeitig hohem Wärmeübertragungsvermögen der Vorrichtung zu ermöglichen. Dabei ist ihr Aufbau abgestimmt auf den Aufbau der hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 12 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Jede niederdruckseitige Wärmeübertragungsplatte 14 weist ebenfalls eine Vielzahl von kleinen Kanälen 42 auf, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wie beispielsweise der Figur 5, einer exemplarischen Darstellung einer niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatte 14, zu entnehmen ist. Die kleinen Kanäle 42 der Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten 14 verlaufen durchgehend von einer ersten Stirnseite 44 der Wärmeübertragungsplatten 14 zu einer zweiten Stirnseite 46 Wärmeübertragungsplatten 14. Die kleinen Kanäle 42 werden gebildet unter Anderem durch Stege 43 in den Wärmeübertragungsplatten 14.
    Der niederdruckseitige Kanal der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird gebildet durch die Vielzahl von strömungstechnisch parallel zueinander angeordneten kleinen Kanälen 42.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 sind die kleinen Kanäle 34 beziehungsweise 42 der hochdruck- beziehungsweise niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so dass ein Gleichstrom oder auch ein Gegenstrom Wärmeübertrager realisiert werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen ist es natürlich auch möglich, die kleinen Kanäle 34 der Hochdruckseite senkrecht zu den kleinen Kanälen 42 der Niederdruckseite anzuordnen, so dass sich ein sogenannter Kreuzstrom-Wärmeübertrager ergibt.
  • Bei der Verwendung von Wasser als niederdruckseitigem Wärmeträgerfluid läßt sich eine optimale Wärmekopplung mit dem Kältemittel CO2 als hochdruckseitigem Fluid erreichen, bei einem Kanalquerschnitt der kleinen Kanäle 42 der niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 14 von typischerweise ca. 1 mm2. Dabei sollte der Kanaldurchmesser größer sein als die im Wasser, beispielsweise im Kühlwasser zirkulierenden Verschmutzungen. Für eine Anwendung in einem Kraftfahrzeug bedeutet dies, daß der kleinste Durchmesser der kleinen Kanäle 42 der niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 14 größer als 0,4 mm sein sollte. Vorteilhaft für eine einfache Herstellbarkeit der Kanalplatten sind Kanäle mit einem Höhe-zu-Breite-Verhältnis kleiner 0,6. Typische Breiten der kleinen Kanäle 42 auf der Niederdruckseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen im Bereich einiger weniger Millimeter, die Höhe der Kanäle dann entsprechend bei weniger als einem Millimeter.
  • Die kleinen Kanäle 42 der Niederdruckseite als auch die entsprechenden Kanäle 34 auf der Hochdruckseite können beispielsweise aus dem Plattenmaterial der Wärmeübertragungsplatten 12 beziehungsweise 14 herausgeätzt sein, beziehungsweise könnten die Stege 35 beziehungsweise 43, die die einzelnen Kanäle einer Platte trennen auf das Plattenmaterial aufgebracht werden. Andere, dem Fachmann bekannte Fertigungsverfahren für solche Mikrokanalplatten sind selbstverständlich ebenso möglich.
  • In Figur 2 ist eine Aufsicht auf die Stirnseite 44 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 nach Figur 1 dargestellt. Auf die Abschlußplatte 24 sind alternierend jeweils eine hochdruckseitige Wärmeübertragungsplatte 12 mit zwei niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 14 kombiniert. Die hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 12 stehen über den Einlasskanal 30 und den Auslasskanal 32 sowie die in Figur 2 nicht dargestellten Verbindungskanäle 26 bzw. 28 untereinander in Verbindung. In der Darstellung der Figur 1 bzw. Figur 2 besitzen die niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 14 keine strömungstechnische Verbindung untereinander. Eine solche Verbindung der niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 14 kann beispielsweise durch eine Flanschanbindung an den Grundkörper 18 der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen, wie sie in der weiteren Beschreibung in verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt wird.
  • In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 nach Figur 3 besteht wiederum aus einer stapelförmigen Anordnung von einer Vielzahl von jeweils zwei niederdruckseitigen Kanalplatten 114, die mit einer hochdruckseitigen Kanalplatte 112 abwechselnd mechanisch verbunden sind, so dass wiederum ein entsprechender Grundkörper 118 des Wärmeübertragers gebildet wird. Der Grundkörper 118 des Wärmeübertragers nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 wird in bereits beschriebener Weise einerseits vom einem Hochdruckfluid und andererseits von einem Niederdruckfluid durchströmt, so dass an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen werden muss.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist der Grundkörper 118 der erfindungsgemäßen Vorrichtung umgeben von einem Gehäuse 152, welches auf der Niederdruckseite einen Einlaßkanal 154 und einen Auslasskanal 156 aufweist. Das Gehäuse weist zudem zwei Öffnungen 178 bzw. 180 auf, durch die die Einlass- 130 bzw. Auslasskanäle 132 der Hochdruckseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung geführt werden. Der Innenraum des Gehäuses 152, der den Grundkörper 118 und eigentlichen Wärmeübertrager aufnimmt, ist durch entsprechende Dichtmittel, beispielsweise Dichtringe 184 gegenüber dem Einlasskanal 130 bzw. dem Auslasskanal 132 abgedichtet.
  • Der niederdruckseitige Einlasskanal 154 bzw. der Auslasskanal 156 des Niederdruckfluids sind jeweils in Form eines Flansches 153 beziehungsweise 155 ausgebildet, die in abdichtender Weise mit einem zentralen Teil 158 des Gehäuses 152 verbunden sind. Dieser zentrale Teil 158 des Gehäuses 152 umgibt dabei den Grundkörper 118 des Wärmeübertragers.
  • Zur Abdichtung der Flanschanschlüsse 153 beziehungsweise 155 kann, wie es im Ausführungsbeispiel der Figur 3 dargestellt ist, jeweils ein Dichtungsring 160 bzw. 162 zwischen dem Anschlussflansch 153 und dem zentralen Teil 158 des Gehäuses 152 bzw. zwischen dem zentralen Teil 158 des Gehäuses 152 und dem Anschlussflansch 155 eingelegt sein. Die Anschlussflansche 153 bzw. 155 sind so ausgebildet, daß sie in entsprechende Leitungen 164 bzw. 166, beispielsweise des Motorkühlkreislaufes eines Kraftfahrzeugs, dicht eingepaßt werden können.
  • Eine mögliche Ausgestaltung eines solchen Anschlussflansches 153 bzw. 156 ist in Figur 7 dargestellt. Der Flansch 253 besitzt einen Anschlussstutzen 268 für die Verbindung mit einem Leitungssystem. Auf der dem Wärmeübertrager zugewandten Seite 270 kann ein solcher Anschlussflansch eine Vertiefung 272 zur Aufnahme einer nicht weiter dargestellten Flachdichtung, beispielsweise einer Papierdichtung, aufweisen. Um die niederdruckseitige Anströmung des Wärmeübertragers zu optimieren, besitzt der Anschlussflansch 253 gemäß Figur 7 eine Reihe von Leitblechen 274, die in Nuten 276 eingesteckt oder eingeklebt sind, die in den Flansch 253 beispielsweise eingefräst sind. Neben einer gleichmäßigen Fluidverteilung, die eine effizientere Nutzung des Wärmeübertragers zur Folge hat, wird durch die Leitbleche 274 der Öffnungswinkel der niederdruckseitigen Strömung verkleinert, was wiederum zu einer Verringerung des Strömungsdruckverlustes führt. Der Flansch 253 kann über Befestigungsmittel 273 mit dem zentralen Teil 158 des Gehäuses 152 dicht verbunden werden.
  • Der niederdruckseitige Anschlußflansch 153,155 bzw. 253 kann beispielsweise aus einem Metall, wie Kupfer oder vorzugsweise auch aus Kunststoff hergestellt werden. Die im niederdruckseitigen Flansch vorhandenen Leitbleche müssen nicht notwendigerweise aus Metall bestehen. Leitbleche aus einen anderen Material, beispielsweise auch Kunststoff sind ebenso möglich, so dass der Begriff der Bleche nicht als Einschränkung zu sehen ist.
  • In vorteilhafter Weise läßt sich das gesamte Gehäuse 152 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 nach Figur 3 in Kunststoff ausführen, so dass beispielsweise die Anschlussflansche 153,155 bzw. 253 der Vorrichtung 110 auch einstückig mit dem zentralen Teil 158 des Gehäuses 152 ausgebildet sein können. Der Flansch 153 beziehungsweise 155 und insbesondere die Mittel zur gleichmäßigen Verteilung der Strömung, beziehungsweise zur Beeinflussung des Öffnungswinkels der Strömung, können somit direkt in dem Gehäuse 152 der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert sein.
  • Sind die niederdruckseitigen Anschlussflansche 153 bzw. 155 einstückig mit dem Gehäuse 152 ausgebildet, so sollte das Gehäuse 152 zudem einen Deckel aufweisen, um den eigentlichen Wärmeübertrager, den Grundkörper 118 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110, in das Gehäuse 152 einbringen zu können. Im Deckel-dieses Gehäuses befänden sich dann auch die beiden Durchgänge für die Hochdruckanschlüsse 132 bzw. 130, die wiederum jeweils über eine Dichtung, beispielsweise einen O-Ring oder eine Klebung das Niederdruckfluid zur Umgebung abdichten. Der Deckel kann in diesem Fall entweder über eine unlösbare Verbindung, beispielsweise Schweißen, Kleben, Löten, oder über eine Schraubverbindung beziehungsweise andere, einschlägige Verbindungsmethoden mit dem Gehäuse verbunden sein. Im Falle einer Schraubverbindung würde jedoch eine weitere Dichtung für das Gehäuse benötigt. Insbesondere ist vorstellbar, den eigentlichen Wärmeübertrager, also den Grundkörper 118 bis auf die Anschlussöffnungen für die Niederdruck- bzw. Hochdruckseite vollständig in Kunststoff zu fassen, beispielsweise einzugießen oder zu umspritzen.
  • Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der prinzipielle stapelbeziehungsweise schichtförmige Aufbau des Grundkörpers 218 des Ausführungsbeispiels in Figur 6 gleicht den Ausführungsformen des Wärmeübertragers in den Figuren 1,2 oder 3, so dass an dieser Stelle darauf nicht nochmals eingegangen werden soll. Abweichend zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 2 und 3 weisen die Wärmeübertragungsplatten 12 beziehungsweise 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 210 gemäß Figur 6 nasenförmige, im Ausführungsbeispiel rechteckige Ausformungen 286 auf, die, wenn die einzelnen Wärmeübertragungsplatten 212 beziehungsweise 214 in beschriebener Weise fest übereinander angeordnet werden, massive, quaderförmige Überstände 288 an den Ecken des Grundkörpers 218 der Vorrichtung 210 ergeben. An diese Überstände 288 kann dann ein Anschlußflansch für ein niederdruckseitiges System befestigt, beispielsweise angeschraubt werden, ohne daß der Verlauf sowohl der hochdruckseitigen als auch der niederdruckseitigen kleinen Kanäle in den einzelnen Wärmeübertragungsplatten 212 beziehungsweise 214 aufgrund der Befestigungsmittel für den Niederdruckflansch beeinflusst wird, so dass ein strömungstechnisch optimierter Verlauf, insbesondere der kleinen Kanäle 214 möglich ist.
  • Speziell der Verlauf der kleinen Kanäle auf der Niederdruckseite muss sorgfältig gewählt sein, da es gilt, einen übermäßigen Druckverlust speziell auf dieser Seite des Wärmeübertragers zu verhindern. Im Besonderen gilt es Knicke im Verlauf der kleinen Kanäle der Niederdruckseite, sowie abrupte Strömungsänderungen zu vermeiden, da diese zu einer Strömungsablösung führen könnten, die einher gehen würde mit einem Druckverlust über der Niederdruckseite des Wärmeübertragers. Ein solcher Druckverlust hängt von der Geschwindigkeit des Fluids, seinen Fluideigenschften bei der jeweiligen, vorherrschenden Temperatur und der Geometrie der kleinen Kanäle ab. Bei Strömungsaufweitungen, wie sie in den Wärmeübertragungsplatten der Niederdruckseite vorkommen können und wie sie beispielsweise in Figur 4 dargestellt sind, wird daher in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die beschriebenen Mittel dafür gesorgt, dass diese Strömungsaufweitungen möglichst unter einem Wert von typischerweise 7° bleiben, da bei größeren Werten der Druckverlust schnell größer wird.
  • Durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist es möglich, den Grundkörper 218 der Vorrichtung direkt mit einem Flansch zu versehen, in dem dieser auf den Grundkörper 218 aufgeschraubt bzw. andersartig an diesem befestigt wird. Dadurch entfällt ein zusätzliches Gehäuse zur Aufnahme des Grundkörpers 218 der Vorrichtung 210, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt und mit geringem Gewicht zu realisieren ist.
  • Die Überstände 288 zur Befestigung eines niederdruckseitigen Flansches am Grundkörper 218 können dabei beispielsweise über die volle Höhe 219 des Grundkörpers 218 der Vorrichtung verlaufen, wie dies in Figur 6 am rückwärtigen, dem hochdruckseitigen Auslaßkanal 232 zugewandten Ende 290 des Grundkörpers 218 dargestellt ist oder alternativerweise jeweils nur über einen Teilbereich der Höhe verlaufen, wie dies am vorderen, dem hochdruckseitigen Einlaßkanal 230 zugewandten Ende 292 des Grundkörpers 218 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form von jeweils zwei, seitlich angeordneten Überständen 294 und 296 beziehungsweise 295 und 297 dargestellt ist. Mit diesen Ausführungsarten der Befestigungsüberstände ist es möglich, die Niederdruckflansche jeweils einzeln am Grundkörper 218 des Wärmeübertragers direkt zu befestigen, so daß beispielsweise ein gegenseitiges Verspannen der Flansche untereinander, Gewindestangen oder vergleichbare Mittel nicht mehr notwendig ist.
  • Um einen solchen Grundkörper 218 der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend Figur 6 zu fertigen, müssen allerdings entweder unterschiedliche Wärmeübertragungsplatten gefertigt werden (mit und ohne nasenförmige Ausleger 286) oder es muß eine entsprechende Erhöhung des Gesamtgewichts des Wärmeübertragers durch die über die gesamte Höhe des Grundkörpers verlaufenden Überstände 288 in Kauf genommen werden, wenn alle Wärmeübertragungsplatten des Grundkörpers 218 mit den entsprechenden nasenförmigen Auslegern 286 versehen sind. Die Erhöhung des Gesamtgewichtes des Wärmeübertragers muß im Einzelfall gegenüber den Vorteilen der verbesserten Dichtheit, Montierbarkeit und einfacheren Einbausituation für die Vorrichtung abgewägt werden.
  • Figur 8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung, welches eine-weitere, leichte Modifikation gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 aufzeigt. Der prinzipielle Aufbau des Wärmeübertragers in Figur 8 entspricht dem stapelförmigen Aufbau verschiedener Wärmeübertragungsplatten 312 beziehungsweise 314, wie er bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen in Figur 6, Figur 3 und Figur 1 ausführlich beschrieben worden ist.
  • Der Grundkörper 318 der Vorrichtung weist eine Vielzahl von hochdruckseitigen 312 und niederdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 314 auf, die, je nach Anforderungen an den Wärmeübertrager, in einer gewünschten relativen Anzahl zueinander kombiniert sind. Die hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 312 sind über nicht weiter dargestellte Verbindungskanäle 326 bzw. 328 untereinander verbunden. Die Verbindungskanäle 326 bzw. 328 im Grundkörper 318 der Vorrichtung münden in einem Einlaßkanal 330 bzw. an ihrem anderen Ende in einem Auslasskanal 332. Der Einlaßkanal 330 bzw. der Auslasskanal 332 sind im Ausführungsbeispiel der Figur 8 ebenfalls als Anschlußstutzen fest mit einer oberen Abschlußplatte 322 verbunden. Innerhalb des Grundkörpers 318 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 310 zur Wärmeübertragung wird die Verbindung des Einlaßkanals 330 mit dem Auslaßkanal 332 durch eine Vielzahl von kleinen, strömungstechnisch parallel geschalteten Kanälen in den hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 312 realisiert. Die einzelnen, hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatten 312 ihrerseits sind ebenfalls strömungstechnisch parallel zueinander, zwischen dem Verbindungskanal 326 und dem Verbindungskanal 328 geschaltet.
  • Figur 10 zeigt ein Beispiel einer hochdruckseitigen Wärmeübertragungsplatte 312 der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 8. Die Platte weist Ausnehmungen 390 bzw. 392 auf, die im Grundkörper 318 Bohrungen 394 bzw. 396 ergeben, mittels denen ein niederdruckseitiger Flansch direkt am Grundkörper 318 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 310 befestigt werden kann, wie es beispielsweise analog im Zusammenhang mit Figur 6 beschrieben worden ist. Die Bohrungen 394 beziehungsweise 396 können auch erst nachträglich in den Grundkörper 318 eingebracht werden, was zu einer Vereinfachung der Wärmeübertragerplatten führt.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figur 8 sind die Verbindungskanäle 326 bzw. 328 in den Befestigungsüberständen 388 des Grundkörpers 318 angeordnet. Aus diesem Grunde müssen zumindest die beiden, die Verbindungskanäle 326 und 328 aufnehmenden Überstände 388 über die volle Höhe 319 des Grundkörpers 318 verlaufen. Die beiden verbleibenden Befestigungsüberstände 394 beziehungsweise 395 können entsprechend der Darstellung in Figur 6 wahlweise über die gesamte Höhe 219 des Grundkörpers 318 verlaufen oder auch aus Gewichtsgründen, wie es in der Figur 8 dargestellt ist, nur so groß ausgestaltet sein, wie es zur Aufnahme der Befestigungsmittel für die niederdruckseitigen Flansche notwendig ist. Auf diese, in den Figuren 8 bis 10 dargestellt Weise ist es möglich, den Verlauf der kleinen Kanäle 342 der niederdruckseitigen Kanalplatten 314 ganz parallel zueinander auszurichten, so dass sich ein gerader Strömungsverlauf des Niederdruckfluids im Wärmeübertrager ergibt, der mit minimalen Druckverlusten einher geht.
  • Figur 9 zeigt eine solche niederdruckseitige Wärmeübertragungsplatte 314 mit geraden, zwischen den beiden Stirnseiten 344 beziehungsweise 346 parallel verlaufenden kleinen Kanälen 342, die durch entsprechende Stege 343 voneinander getrennt sind. In der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den Figuren 8 bis 10 wird der Druckverlust des niederdruckseitigen Fluids über dem Wärmeübertrager weiter reduziert.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht beschränkt auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere nicht beschränkt auf die Verwendung als Koppelwärmetauscher zwischen dem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges und dem Kühlmittelkreislauf beispielsweise eines Verbrennungsmotors dieses Kraftfahrzeuges.
  • Eingesetzt werden kann ein derartiger, erfindungsgemäßer Wärmeübertrager überall dort, wo Wärme zwischen einem unter hohem Druck stehenden Kältemittel und einem unter niedrigem Druck stehenden flüssigen Wärmeträgerfluid ausgetauscht werden soll.
  • Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in stationären Wärme- beziehungsweise Klimasystemen genutzt werden.
  • Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann des Weiteren auch in Sterling-Maschinen, die ebenfalls bei sehr hohen Drücken (50 - 150 bar) arbeiten und die mit Flüssigkeit gekühlt bzw. beheizt werden, eingesetzt werden.
  • Mögliche weitere Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind andere Kältemittelkreisläufe, Wärmeübertrager zur Abgaswärmenutzung, beispielsweis im Hausenergiebereich oder bei Brennstoffzellenanwendungen, dieses wiederum auch im Kraftfahrzeugbereich.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einsetzbar als reiner Wärmeübertrager, aber auch als Reaktor.
  • Darüber hinaus kann der Wärmeübertrager als Verdampfer eingesetzt werden, beispielsweise zum Kühlen von Kühlwasser beziehungsweise zur Nutzung der darin enthaltenen Wärme.

Claims (18)

  1. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel als einem ersten, hochdrudcseitigem Fluid und einem flüssigen Wärmeträgerfluid als einem zweiten, niederdruckseitigem Fluid, mit mindestens einem ersten Kanal für das hochdruckseitige Fluid, und mindestens einem, von dem ersten Kanal getrennten, zweiten Kanal für das niederdruckseitige Fluid, sowie mit einem geschichteten, aus mindestens einer Wärmeübertragungsplatte (12) für das Hochdruckfluid und mindestens einer Wärmeübertragungsplatte (14) für das Niederdruckfluid bestehenden Aufbau, wobei der erste, hochdruckseitige und der zweite, niederdruckseitige Kanal jeweils gebildet sind aus einer Mehrzahl von in oder auf den jeweiligen Wärmeübertragungsplatten ausgebildeten kleinen Kanälen (34,42), dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Wärmeübertragungsplatten (12) und die Niederdruck-Wärmeübertragungsplatten (14) abweichend von einer alternierenden stapelförmigen Anordnung im Aufbau angeordnet sind.
  2. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der jeweiligen Anzahl von niederdruckseitigen (14) zu hochdruckseitigen (12) Wärmeübertragungsplatten (12, 14) in der Vorrichtung (10, 110, 210, 310) m zu n beträgt, wobei m und n ganze, voneinander verschiedene Zahlen sind.
  3. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, hochdruckseitige und der zweite, niederdruckseitige Kanal jeweils eine Vielzahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsplatten (12, 14) ausgebildeten, parallel zueinander geschalteten, kleinen Kanälen (34, 42) aufweist.
  4. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle (42) der Niederdruckseite im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
  5. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle (42) der Niederdruckseite im Wesentlichen parallel zu den kleinen Kanälen (34) der Hochdruckseite angeordnet sind und die Strömungsführung der kleinen Kanäle (34, 42) so gewählt ist, dass der hochdruckseitige Kältemittelstrom und der niederdruckseitige Fluidstrom wahlweise im Gleich- oder Gegenstromprinzip die Vorrichtung (10, 110, 210, 310) durchströmen können.
  6. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle (42) der Niederdruckseite im Wesentlichen senkrecht zu den kleinen Kanälen (34) der Hochdruckseite angeordnet sind.
  7. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die An- und/oder Abströmung der kleinen Kanäle (42) der Niederdruckseite im Wesentlichen In Richtung dieser kleinen Kanäle (42) erfolgt.
  8. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die An- und/oder Abströmung der niederdruckseitigen kleinen Kanäle (42) mindestens ein mit der Vorrichtung (10, 110, 210, 310) verbindbarer Flansch (153, 155, 253) vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die An- und/oder Abströmung der niederdruckseitigen Kanäle (42) mindestens ein Flansch (153, 155, 253) vorgesehen ist, der in einem Gehäuse (152) integriert ist, das die Vorrichtung (10, 110, 210, 310), insbesondere in abdichtender Weise, umgibt.
  10. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Flansch (153, 155, 253) Mittel zur Beeinflussung der Strömung, insbesondere zur Verteilung der Strömung des Niederdruckfluids vorgesehen sind.
  11. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Beeinflussung der Strömung des Niederdruckfluids Leitelemente, insbesondere Leitbleche (274) umfassen.
  12. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die An- und/oder Abströmung der kleinen Kanäle (34) der Hochdruckseite in einer Ebene senkrecht zur Ebene der An- und/oder Abströmung der Niederdruckseite erfolgt.
  13. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wärmeübertragungsplatten (12, 14) aus einer Gruppe gewählt ist, die Kupfer und Kupferlegierung, Edelstahl, Aluminium und weitere Werkstoffe umfasst.
  14. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hochdruckseitige Kältemittel CO2 ist.
  15. Vorrichtung (10) zur Wärmeübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das niederdruckseitige Wärmeträgerfluid ein Kühlmittel, insbesondere eine Motorkühlflüssigkeit ist.
  16. Verwendung der Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15 zur Wärmeübertragung zwischen einer CO2-Klimaanlage, insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, und einem Kühlmittel eines Antriebsaggregats, insbesondere dem Motorkühlwasser eines Fahrzeuges.
  17. CO2-Klimaanlage für ein Fahrzeug mit mindestens einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15.
  18. CO2-Klimaanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage im Wärmepumpenmodus oder Heizgasmodus arbeitet.
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