WO2010057603A2 - Wärmetauscher und verfahren für dessen herstellung - Google Patents

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WO2010057603A2
WO2010057603A2 PCT/EP2009/008133 EP2009008133W WO2010057603A2 WO 2010057603 A2 WO2010057603 A2 WO 2010057603A2 EP 2009008133 W EP2009008133 W EP 2009008133W WO 2010057603 A2 WO2010057603 A2 WO 2010057603A2
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exchanger according
channel
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Christian Bausch
Jürgen Berger
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Voith Patent Gmbh
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    • 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
    • F28D9/0062—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 spaced plates with inserted elements
    • F28D9/0075—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 spaced plates with inserted elements the plates having openings therein for circulation of the heat-exchange medium from one conduit to another
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49357—Regenerator or recuperator making

Definitions

  • the invention relates to heat exchangers, in particular for waste heat utilization of an internal combustion engine by the evaporation of a working fluid for the operation of a steam engine, and a production method for such a heat exchanger.
  • Waste heat recovery systems use the waste heat of an internal combustion engine to vaporize a working fluid that relaxes to release mechanical power in an expander. Following the expander, the vapor phase of the working fluid is condensed and returned to the heat exchanger.
  • Possible heat sources of an internal combustion engine for heating the evaporator are the exhaust gas or the coolant flow. Further heat sources result from the exhaust gas recirculation and intercooling of vehicle engines and the
  • Heat exchangers with a coil comprising a tube bundle are known.
  • the outer walls of the tube bundles are flowed around by the heat transfer medium.
  • hydraulically separate flow channel systems are provided both for the working fluid and for the heat transfer medium.
  • a first type of plate carries the heat transfer medium, the second type of plate the working fluid to be evaporated.
  • the flow channels in the two plate types are created as unilaterally open channels, which are each covered by the closed side of the adjacent plate.
  • a disadvantage of such an arrangement is that the structuring of the individual plates is associated with a high production cost. This applies in particular to the production of a manifolded duct system in a plate in order to bring about the most turbulent guidance of the respective medium.
  • the pattern used for the work piece to be evaporated must be
  • Flow channels are adapted to the dimensioning of the waste heat recovery system and the available for each application thermal power input. This usually requires an individual pattern adaptation, which in turn is expensive. Further, for the known plate heat exchangers due to the expansion of the
  • a heat exchanger in the form of a plate stack is known from DE 199 48 222 A1, for which the flow channels for guiding the heat transfer medium and those for receiving the working means are designed with different cross sections.
  • the flow channels for guiding the heat transfer medium and those for receiving the working means are designed with different cross sections.
  • Working medium channels advantageously small cross-sections in order to counteract the forming on the walls of the working medium channels steam film, which undesirably reduces the heat transfer into the liquid phase (Leidenforst phenomenon).
  • crossed channel structures are used for the abutting plates, so that a the largest possible free cross-section is created.
  • a parallel arrangement of interlocking structures for the evaporation-side volume reduction is preferred.
  • a disadvantage is the resulting design effort. In this case, spacers are necessary in particular for the parallel arrangement of the channels.
  • the scalability and the individual cross-sectional adaptation as well as the desired channel widening for accommodating the vapor phase are only possible to an insufficient degree.
  • the invention has for its object to provide a heat exchanger, in particular for the use of waste heat of an internal combustion engine, which allows efficient heat transfer from a heating medium to a heat exchanger to be evaporated in the working fluid.
  • the heat exchanger should be designed compact and in addition have a high stability against the typically occurring in vehicle applications vibrations and shocks.
  • the evaporator should be characterized by a small size and improved scalability. The scalability should be given for the throughput of heating medium and working fluid and the volume flow in the vapor phase of the working fluid. Furthermore, a simple adaptability of the evaporator to a specific vehicle type as well as to different pressure requirements is desired.
  • the working fluid should enter during operation of the heat exchanger in liquid form in this and escape as a superheated vapor phase again.
  • Working media with a corrosive effect should also be safely conducted in the heat exchanger at operating pressures of 60 - 100 bar and above.
  • the heat exchanger according to the invention comprises two different functional layers which form an alternating stacking sequence. These are, on the one hand, guide layers for the heating medium and, on the other hand, guide layers for the working medium.
  • the working fluid guide layer comprises a structured channel plate in which meandering apertures are formed. Through openings are understood breakthroughs through the channel plate, which extend through the entire thickness extent of the channel plate from the top to the bottom.
  • Such passage openings can be in the plates preferably used to form the channel plate with a thickness of preferably 0.2 to 2 mm, particularly preferably 0.3 to 1, 5 mm, by means of a punching method or other suitable structuring method, for example by means of a laser cutting or etching process. Milling methods or the use of extruded components are also conceivable.
  • each channel plate is provided on the upper side and the lower side with a cover plate, which are materially connected to the channel plate in the installed state.
  • a solder joint for example made of a Ni solder or a Cu solder is used to produce the material bond.
  • the cover plates are structured so that everyone
  • Working medium channel is provided with an inlet and a drain. All working fluid channels can have hydraulically connected inlets and outlets.
  • the channel plate By structuring the channel plate in conjunction with the cover plates creates a shallow working fluid channel that leads the first liquid entering working fluid relative to the direction of movement of the heating medium in the cross counterflow. By meandering further results in sufficient for the evaporation and reheating length of the working fluid channel.
  • the breakthroughs in the channel plate by adjusting their width perpendicular to the flow direction of the working fluid allow adjustment of the free cross section of the working fluid channel.
  • the working medium channel has a first section starting from the inlet with a first free cross section and, downstream in the flow direction, a second section with a second free cross section, wherein the second free cross section is selected further than the first free cross section. This ensures that in the area of the working medium channel in which the
  • Phase change of the working medium occurs, a cross-sectional expansion is created.
  • the cross-sectional widening in the transition from the first section to the second section of the working fluid channel to a substantially abrupt pressure change, so that in this transition region, the working fluid almost completely evaporated and no further precautions in the heat exchanger for branching a non-evaporated condensate portion of the working fluid to meet.
  • Figure 1 shows a partial view of the stacking sequence of a heat exchanger according to the invention in an exploded view.
  • Figure 2 shows a plan view of a channel plate with a meandering passage opening.
  • FIG. 3 shows a plan view of the end face of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 4 shows the lateral conclusion of the stacking sequence of a heat exchanger according to the invention in an exploded view.
  • FIG. 1 shows a partial section of the stacking sequence 1 of a heat exchanger according to the invention, which is formed by an alternating arrangement of guide layers for the heating medium 2.1, 2.2, 2.3 and guide layers for the working means 3.1, 3.2, 3.3.
  • the continuation of the stacking sequence 1 with further guide layers is not shown in detail.
  • Each of the guide layers for the working means 3.1, 3.2, 3.3 is composed of surface contacting individual components.
  • a channel plate 4.1, 4.2, 4.3 is arranged centrally in each guide layer for the working means 3.1, 3.2, 3.3, respectively.
  • Such a channel plate 4 is shown in Figure 2 as a separate side view.
  • the channel plate 4 comprises a passage opening 5, which extends through its entire thickness extension and which emanates from an inlet 7 and opens into a drain 8. In this case, the width of the passage opening 5 between the inlet 7 and the outlet 8 changes.
  • a first section 9 with a first free cross-section 10 which later in a second section 11 with a second free cross section 12th passes.
  • the second free cross section 12 is widened with respect to the first free cross section 10.
  • channel plate 4 is assigned a pair of laterally terminating cover plates 6.1-6.6, a working medium channel 14 with two different sections is created, which differ with respect to the cross section. Due to the widening of the cross-section, an enlarged absorption volume for the vapor phase is created in that region of the working medium carton 14 in which the evaporation of the working medium occurs, so that the
  • Flow rate after the successful phase change does not increase undesirably and in the second section 11 of the working fluid channel an efficient After overheating of the vapor phase can be effected. Furthermore, the cross-sectional widening in the working medium channel 16 makes it possible to better localize the location of the phase change.
  • the channel plates 4.1, 4.2 and 4.3 and the respective associated cover plates 6.1 - 6.6 made of a thin-walled sheet material, the sheet thickness preferably in the range of 0.2 - 2 mm and more preferably in the interval of 0.3 - selected 1, 5 mm is.
  • the material used is either stainless steel or an aluminum alloy.
  • Channel plates 4.1, 4.2, 4.3 are created by means of a suitable structuring method.
  • lasers can advantageously be used for structuring.
  • the channel plates 4.1, 4.2, 4.3 and the respectively associated cover plates 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, shown in FIG. 1, are preferably materially connected in the operational state. This applies to an advantageous embodiment for the other components of the stacking sequence 1, which serve to form the guide layers for the heating medium 2.1, 2.2, 2.3.
  • the material bond can be carried out for example by a braze joint by means of a Ni solder or a Cu solder. Alternatively, a welded joint is conceivable.
  • Channel plate 4 favors so that sufficiently large investment areas are present at the edge of the respective channel plate 4 and in the region of the intermediate webs between the individual meandering branches of the through hole 5, which are first brought into contact with the respective laterally adjacent cover plates 6.1 - 6.6 and then using pressure and enter into a material connection by means of a thermal treatment.
  • all components of the Guide layers for the heating medium 2.1, 2.2, 2.3 and the guide layers for the working means 3.1, 3.2, 3.3 added to the stacking sequence 1 and centered in a further step.
  • the stacking sequence 1 is secured by applying force in the stacking direction.
  • a preferably thermal treatment at temperatures in the range of 1000 to 1250 0 C then produces the desired material bond of the components of the stacking sequence 1 of the heat exchanger.
  • the guide layers for the heating medium 2.1, 2.2, 2.3 are created by creating a gap to the adjacent guide layers for the
  • Spacers 13.1, 13.2 provided, which are designed so that the inlets 7 of all channel plates 4.1, 4.2, 4.3 are hydraulically connected to each other.
  • a flow baffle 14 is provided, which is a corrugated structure in the simplest case, which forms flow channels in the longitudinal direction, that is, the flow direction for the heating medium.
  • the Strömungsleitbleche 14 serve to improve the heat transfer to the adjacent cover plates 6.1 - 6.6.
  • the flow baffles 14 may be provided with an additional functional coating, which serves for example for corrosion protection or has a catalytic effect.
  • FIG. 3 shows a top view of the end face of a heat exchanger according to the invention, through which the heating medium enters or exits.
  • edge plates 15.1 and 15.2 are shown, the form the side walls of the heat exchanger. For a preferred embodiment, these are provided with a thermal insulation.
  • the above-explained embodiments of the invention relate to the use of planar components in the stacking sequence 1.
  • advantageous embodiments are conceivable for which the guide layers for the heating medium and the guide layer for the working medium are curved.
  • Particularly advantageous are cylindrical components, which, coaxially arranged, enclose a tubular structural component of a vehicle drive.
  • This can be a particulate filter of a diesel engine, which also serves as an energy store, since in a thermal filter cleaning accumulated soot particles, a large amount of heat is released.
  • the heat exchanger for cooling a vehicle component such as
  • Catalyst unit of a gasoline engine to use the guide layers for the heating medium can be dispensed with if direct thermal contact is established between the respective vehicle component and the adjacent guide layer for the working medium. Cylindrically shaped stacking sequences are not shown in detail in the figures. Further embodiments of the invention are conceivable.
  • the mixing of the heating medium in the guide layer for the heating medium and the working medium in the guide layer for the working fluid can be improved by elements for generating flow vortices.
  • the surface roughness of the walls of the media-carrying channels can be increased.
  • embodiments with ribbed wall contours for the through-opening 5 in the channel plates 4.1 - 4.4 which are not shown in detail, are advantageous for mixing-through promotion.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den Wärmeübertrag von einem Heizmedium, insbesondere dem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, auf ein Arbeitsmittel, das im Wärmetauscher verdampft, umfassend eine alternierende Stapelfolge aus Führungsschichten für das Heizmedium und Führungsschichten für das Arbeitsmittel; in denen das Heizmedium und das Arbeitsmittel im Kreuzgegenstrom geführt sind; wobei jede Führungsschicht für das Arbeitsmittel eine Kanalplatte umfasst, die wenigstens eine mäanderförmig angelegte Durchgangsöffnung aufweist, und wobei zu beiden Seiten der Kanalplatte, Deckplatten angeordnet sind, die die Durchgangsöffnung unter Bildung eines Arbeitsmittelkanals bis auf einen Zulauf und einen Ablauf seitlich verschließen, wobei die Kanalplatte mit den Deckplatten stoffschlüssig verbunden ist; und wobei der Arbeitsmittelkanal einen vom Zulauf ausgehenden ersten Abschnitt mit einem ersten freien Querschnitt und einen in den Ablauf mündenden zweiten Abschnitt mit einem zweiten freien Querschnitt umfasst, der weiter als der erste freie Querschnitt ist.

Description

Wärmetauscher und Verfahren für dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere zur Abwärmenutzung einer Verbrennungskraftmaschine durch die Verdampfung eines Arbeitsmittels für den Betrieb eines Dampfmotors, sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen Wärmetauscher.
Abwärmenutzungssysteme verwenden die Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine zum Verdampfen eines Arbeitsmittels, das unter Freisetzung mechanischer Leistung in einem Expander entspannt. Nachfolgend zum Expander wird die Dampfphase des Arbeitsmittels kondensiert und wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Mögliche Wärmequellen einer Verbrennungskraftmaschine zum Aufheizen des Verdampfers sind der Abgasoder der Kühlmittelstrom. Weitere Wärmequellen ergeben sich durch die Abgasrückführung und Ladeluftkühlung von Fahrzeugmotoren sowie die
Zwischenkühlung bei mehrstufiger Aufladung. Alternativ oder zusätzlich kann eine separate Brennereinheit vorgesehen werden.
Abwärmenutzungssysteme können vorteilhaft durch die wenigstens teilweise Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine den
Gesamtwirkungsgrad eines Antriebs verbessern. Diesem Vorteil steht gegenüber, dass die Komponenten des Dampfmotors das Gesamtgewicht des Fahrzeugs erhöhen und darüber hinaus zusätzlichen Bauraum beanspruchen. Wärmetauscher als eine Komponente eines Abwärmenutzungssystems müssen daher effizient, kleinbauend und an die jeweilige Anwendung anpassbar sein.
Wärmetauscher mit einem ein Rohrbündel umfassendes Heizregister sind bekannt. Für eine erste Gestaltung werden die Außenwandungen der Rohrbündel vom Wärmeträgermedium umströmt. Für eine Weitergestaltung sind sowohl für das Arbeitsmittel als auch für das Wärmeträgermedium hydraulisch getrennte Strömungskanalsysteme vorgesehen. Hierzu wird exemplarisch auf die GB 1084292 A verwiesen. Aus dieser Druckschrift geht ein Plattenwärmetauscher hervor, der aus einer alternierend angelegten Stapelfolge von zwei Plattentypen aufgebaut ist. Ein erster Plattentyp führt das Wärmeträgermedium, der zweite Plattentyp das zu verdampfende Arbeitsmittel. Die Strömungskanäle in den beiden Plattentypen sind als einseitig offene Kanäle angelegt, die jeweils von der geschlossenen Seite der benachbarten Platte abgedeckt werden. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist, dass die Strukturierung der einzelnen Platten mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden ist. Dies gilt insbesondere für die Herstellung eines vielfach verzweigten Kanalsystems in einer Platte, um eine möglichst turbulente Führung des jeweiligen Mediums zu bewirken. Des Weiteren muss das für das zu verdampfende Arbeitsmittel verwendete Muster der
Strömungskanäle an die Dimensionierung des Abwärmenutzungssystems und den für die jeweilige Anwendung zur Verfügung stehenden thermischen Leistungseintrag angepasst werden. Dies setzt meist eine individuelle Musteranpassung voraus, was wiederum aufwendig ist. Femer sind für die bekannten Plattenwärmetauscher aufgrund der Ausdehnung der
Wandungsflächen hohe, aus dem Dampfdruck resultierende Kräfte aufzufangen. Folge dieser hohen mechanischen Belastungen sind großbauende, entsprechend schwere Verdampfer. Des Weiteren sind Flachrohrverdampfer in Serpentinenbauweise bekannt. Hierzu wird exemplarisch auf die DE 102 60 107 A1 verwiesen.
Ferner ist aus der DE 199 48 222 A1 ein Wärmetauscher in Form eines Plattenstapels bekannt, für den die Strömungskanäle zur Führung des Wärmeträgermediums und jene zur Aufnahme des Arbeitsmittels mit unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sind. Dabei weisen die
Arbeitsmittelkanäle vorteilhaft kleine Querschnitte auf, um dem sich an den Wandungen der Arbeitsmittelkanäle ausbildenden Dampffilm entgegenzuwirken, der den Wärmeübertrag in die Flüssigphase unerwünscht vermindert (Leidenforst- Phänomen). Hierzu wird vorgeschlagen, jeweils zwei Plattenflächen mit fischgrätmusterartigen Kanalstrukturen in flächige Anlage zu bringen. Für die Strömungskanäle zur Führung des Wärmeträgermediums werden gekreuzte Kanalstrukturen für die aneinander anliegenden Platten verwendet, sodass ein möglichst großer freier Querschnitt entsteht. Für die schmalen Arbeitsmittelkanäle wird eine Parallelanordnung ineinandergreifender Strukturen für die verdampferseitige Volumenreduktion bevorzugt. Nachteilig ist der hieraus resultierende konstruktive Aufwand. Dabei sind insbesondere für die Parallelanordnung der Kanäle Abstandshalter notwendig. Des Weiteren sind die Skalierbarkeit und die individuelle Querschnittsanpassung sowie die gewünschte Kanalaufweitung zur Aufnahme der Dampfphase nur in unzureichendem Maße möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, insbesondere zur Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, der einen effizienten Wärmeübertrag von einem Heizmedium auf ein im Wärmetauscher zu verdampfendes Arbeitsmittel ermöglicht. Dabei sollte der Wärmetauscher kompaktbauend ausgebildet sein und zusätzlich eine hohe Standfestigkeit gegenüber den bei Fahrzeuganwendungen typischerweise auftretenden Vibrationen und Stößen aufweisen. Des Weiteren soll sich der Verdampfer durch eine kleine Baugröße und durch eine verbesserte Skalierbarkeit auszeichnen. Die Skalierbarkeit soll für den Durchsatz an Heizmedium und Arbeitsmittel sowie den Volumenstrom in der Dampfphase des Arbeitsmittels gegeben sein. Ferner wird eine einfache Anpassbarkeit des Verdampfers an einen bestimmten Fahrzeugtyp sowie an unterschiedliche Druckanforderungen gewünscht. Außerdem sollte das Arbeitsmittel beim Betrieb des Wärmetauschers in flüssiger Form in diesen eintreten und als überhitzte Dampfphase wieder austreten. Dabei sollten auch Arbeitsmedien mit korrosiver Wirkung bei Betriebsdrücken von 60 - 100 bar und darüber sicher im Wärmetauscher geführt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst zwei unterschiedlichen Funktionsschichten, die eine alternierende Stapelfolge bilden. Dabei handelt es sich zum einen um Führungsschichten für das Heizmedium und zum anderen um Führungsschichten für das Arbeitsmittel. Die Führungsschicht für das Arbeitsmittel umfasst eine strukturierte Kanalplatte, in der in Mäanderform angelegte Durchgangsöffnungen vorliegen. Unter Durchgangsöffnungen werden Durchbrüche durch die Kanalplatte verstanden, die durch die gesamte Dickenerstreckung der Kanalplatte von der Oberseite bis zur Unterseite reichen. Derartige Durchgangsöffnungen lassen sich in den bevorzugt zur Ausbildung der Kanalplatte verwendeten Blechen mit einer Stärke von bevorzugt 0,2 - 2 mm, besonders bevorzugt 0,3 — 1 ,5 mm, mittels eines Stanzverfahrens oder einem anderen geeigneten Strukturierungsverfahren, beispielsweise mittels eines Laserschneid- oder Ätzverfahrens herstellen. Auch Fräsverfahren oder die Verwendung extrudierter Komponenten sind denkbar.
Zur Ausbildung eines Arbeitsmittelkanals wird jede Kanalplatte auf der Oberseite und der Unterseite mit einer Deckplatte versehen, die mit der Kanalplatte im eingebauten Zustand stoffschlüssig verbunden sind. Hierbei wird zur Herstellung des Stoffschlusses insbesondere eine Lötverbindung, etwa aus einem Ni-Lot oder einem Cu-Lot verwendet. Die Deckplatten sind so strukturiert, dass jeder
Arbeitsmittel kanal mit einem Zulauf und einem Ablauf versehen ist. Dabei können alle Arbeitsmittelkanäle hydraulisch verbundene Zu- und Abläufe aufweisen.
Durch die Strukturierung der Kanalplatte in Verbindung mit den Deckplatten entsteht ein flacher Arbeitmittelkanal, der das zunächst flüssig eintretende Arbeitsmittel relativ zur Bewegungsrichtung des Heizmediums im Kreuzgegenstrom führt. Durch das Mäandrieren resultiert ferner eine für die Verdampfung und Nachüberhitzung hinreichende Länge des Arbeitsmittelkanals. Erfindungsgemäß ermöglichen die Durchbrüche in der Kanalplatte durch eine Anpassung ihrer Breite senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsmittels eine Einstellmöglichkeit des freien Querschnitts des Arbeitsmittelkanals. Hierzu weist der Arbeitsmittelkanal einen vom Zulauf ausgehenden ersten Abschnitt mit einem ersten freien Querschnitt auf sowie, in Strömungsrichtung nachfolgend, einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten freien Querschnitt, wobei der zweite freie Querschnitt weiter gewählt ist als der erste freie Querschnitt. Hierdurch wird erreicht, dass im Bereich des Arbeitsmittelkanals, in dem der
Phasenwechsel des Arbeitsmittels eintritt, eine Querschnittsaufweitung angelegt ist. Dadurch wird, ausgehend von einer Druckvorgabe für das Arbeitsmittel, eine Anpassung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittelkanals im ersten Abschnitt und im zweiten Abschnitt des Arbeitsmittelkanals möglich, sodass der zweite Abschnitt, der das verdampfte Arbeitsmittel führt, effektiv zur Nacherhitzung der Dampfphase verwendet werden kann.
Darüber hinaus wird bevorzugt, die Querschnittserweiterung beim Übergang vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt des Arbeitsmittelkanals zu einer im Wesentlichen sprunghaft erfolgenden Druckveränderung zu nutzen, sodass in diesem Übergangsbereich das Arbeitsmittel nahezu vollständig verdampft und keine weiteren Vorkehrungen im Wärmetauscher zur Abzweigung eines nicht verdampften Kondensatanteils des Arbeitsmittels zu treffen sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit Figurendarstellungen beschrieben, in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:
Figur 1 zeigt eine Teilansicht der Stapelfolge eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Explosionsdarstellung.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Kanalplatte mit einer mäandrierenden Durchgangsöffnung.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Figur 4 zeigt den seitlichen Abschluss der Stapelfolge eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Explosionsansicht.
Figur 1 zeigt einen Teilabschnitt der Stapelfolge 1 eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die durch- eine alternierende Anordnung von Führungsschichten für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 und Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 gebildet wird. Die Fortsetzung der Stapelfolge 1 mit weiteren Führungsschichten ist im Einzelnen nicht dargestellt.
Jede der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 ist aus einander flächig kontaktierenden Einzelkomponenten aufgebaut. Dabei ist zentral in jeder Führungsschicht für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 jeweils eine Kanalplatte 4.1 , 4.2, 4.3 angeordnet. Eine solche Kanalplatte 4 wird in Figur 2 als separate Seitenansicht dargestellt.
Die Kanalplatte 4 umfasst eine Durchgangsöffnung 5, die durch ihre gesamte Dickenerstreckung hindurchreicht und welche von einem Zulauf 7 ausgeht und in einen Ablauf 8 mündet. Dabei verändert sich die Breite der Durchgangsöffnung 5 zwischen dem Zulauf 7 und dem Ablauf 8. Zunächst liegt nach dem Zulauf 7 ein erster Abschnitt 9 mit einem ersten freien Querschnitt 10 vor, der im weiteren Verlauf in einen zweiten Abschnitt 11 mit einem zweiten freien Querschnitt 12 übergeht. Dabei ist der zweite freie Querschnitt 12 gegenüber dem ersten freien Querschnitt 10 aufgeweitet.
Werden der Kanalplatte 4 ein Paar seitlich abschließender Deckplatten 6.1 - 6.6 zugeordnet, entsteht ein Arbeitsmittelkanal 14 mit zwei unterschiedlichen Abschnitten, die sich bezüglich des Querschnitts unterscheiden. Durch die Aufweitung des Querschnitts wird in jenem Bereich des Arbeitsmittelkartals 14, in dem die Verdampfung des Arbeitsmittels eintritt, ein vergrößertes Aufnahmevolumen für die Dampfphase geschaffen, sodass die
Strömungsgeschwindigkeit nach dem erfolgten Phasenwechsel nicht unerwünscht ansteigt und im zweiten Abschnitt 11 des Arbeitsmittelkanals eine effiziente Nachüberhitzung der Dampfphase bewirkt werden kann. Ferner ermöglicht die Querschnittserweiterung im Arbeitsmittelkanal 16, den Ort des Phasenwechsels besser lokalisieren zu können.
Bevorzugt bestehen die Kanalplatten 4.1 , 4.2 und 4.3 sowie die jeweils zugeordneten Deckplatten 6.1 - 6.6 aus einem dünnwandigen Blechmaterial, wobei die Blechstärke bevorzugt im Bereich von 0,2 - 2 mm und besonders bevorzugt im Intervall von 0,3 - 1 ,5 mm gewählt ist. Als Material wird entweder Edelstahl oder eine Aluminiumlegierung bevorzugt. Dabei können die mäanderförmig ausgebildeten Durchgangsöffnungen 5 in den jeweiligen
Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3 mittels eines geeigneten Strukturierungsverfahrens angelegt werden. Hierfür kommt insbesondere ein Stanzverfahren oder eine Strukturierung mittels eines Ätzverfahrens oder eines Fräsverfahrens in Frage. Ferner können vorteilhafterweise Laser zur Strukturierung eingesetzt werden.
Die in Figur 1 dargestellten Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3 und die jeweils zugehörigen Deckplatten 6.1 , 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6 sind im betriebsfertigen Zustand vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Dies gilt für eine vorteilhafte Ausgestaltung auch für die weiteren Komponenten der Stapelfolge 1 , die zur Bildung der Führungsschichten für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 dienen. Der Stoffschluss kann beispielsweise durch eine Hartlotverbindung mittels eines Ni- Lots oder eines Cu-Lots ausgeführt werden. Alternativ ist eine Schweißverbindung denkbar.
Dabei wird die stoffschlüssige Verbindung durch die flächige Ausbildung der
Kanalplatte 4 begünstigt, sodass hinreichend große Anlagebereiche am Rand der jeweiligen Kanalplatte 4 und im Bereich der Zwischenstege zwischen den einzelnen mäandrierenden Zweige der Durchgangsöffnung 5 vorliegen, die zunächst in Anlage zu den jeweils seitlich angrenzenden Deckplatten 6.1 - 6.6 gebracht werden und dann unter Anwendung von Druck und mittels einer thermischen Behandlung eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Für ein bevorzugtes Herstellungsverfahren werden zunächst alle Komponenten der Führungsschichten für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 sowie der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 in die Stapelfolge 1 aufgenommen und in einem weiteren Schritt zentriert. Nachfolgend wird die Stapelfolge 1 durch Kraftbeaufschlagung in Stapelrichtung gesichert. Durch eine vorzugsweise thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 12500C entsteht dann der gewünschte Stoffschluss der Komponenten der Stapelfolge 1 des Wärmetauschers.
Die Führungsschichten für das Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3 entstehen durch die Schaffung eines Zwischenraums zu den benachbarten Führungsschichten für das
Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3. In der Stapelfolge 1 sind für diesen Zweck
Abstandshalter 13.1, 13.2 vorgesehen, die so ausgebildet sind, dass die Zuläufe 7 aller Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3 hydraulisch miteinander verbunden sind.
Entsprechendes gilt für die Abläufe 8 der Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3. Ferner stellen die Abstandshalter 13.1 , 13.2 den mediendichten Abschluss der jeweiligen
Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 quer zu
Durchströmungsrichtung sicher.
Außerdem wird bevorzugt, für jede Führungsschicht für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 ein Strömungsleitblech 14 vorgesehen, das im einfachsten Fall eine gewellte Struktur ist, die in Längsrichtung, das heißt der Durchströmungsrichtung für das Heizmedium, Strömungskanäle bildet. Die Strömungsleitbleche 14 dienen der Verbesserung des Wärmeübertrags zu den angrenzenden Deckplatten 6.1 - 6.6. Des Weiteren können die Strömungsleitbleche 14 mit einer zusätzlichen Funktionsbeschichtung versehen sein, die beispielsweise dem Korrosionsschutz dient oder eine katalytische Wirkung aufweist.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, durch die das Heizmedium eintritt oder austritt. Ersichtlich ist wiederum die alternierende Stapelfolge der Führungsschichten für das
Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8 und der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3, ... , 3.9. Zusätzlich sind die Randplatten 15.1 und 15.2 dargestellt, die die Seitenwandungen des Wärmetauschers bilden. Für eine bevorzugte Ausgestaltung sind diese mit einer thermischen Isolation versehen.
Der seitliche Abschluss der Stapelfolge 1 ergibt sich ferner aus der vergrößert dargestellten Explosionsdarstellung der Figur 4. Gezeigt ist die an die Randplatte 15 angrenzende Kanalplatte 4.4 mit der darin angelegten Durchgangsöffnung 5. Diese wird über den Zulauf 7 mit einem Arbeitsmittel als Flüssigphase beschickt, die stromaufwärts im Arbeitsmittelkanal 16 verdampft. Die zweite Seitenfläche der Kanalplatte 4.4 wird durch die Deckplatte 6.7 im Betriebszustand verschlossen. Dabei weist die Deckplatte 6.7 eine zum Zulauf 7 in der Kanalplatte 4.4 fluchtende Durchgangsöffnung 17.1 auf. Eine übereinstimmende Durchgangsöffnung 17.2 ist im Abstandhalter 13.2 angelegt. Dieser bildet zusammen mit dem Abstandshalter 13.1 und dem Strömungsleitblech 14 die unmittelbar angrenzende Führungsschicht für das Heizmedium 2.4.
Die voranstehend erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen die Verwendung ebener Komponenten in der Stapelfolge 1. Es sind jedoch vorteilhafte Ausgestaltungen denkbar, für die die Führungsschichten für das Heizmedium und die Führungsschicht für das Arbeitsmedium gekrümmt ausgeführt sind. Vorteilhaft sind insbesondere zylindrische Komponenten, die, koaxial angeordnet, eine rohrförmige Baukomponente eines Fahrzeugantriebs umschließen. Dies kann ein Partikelfilter eines Dieselmotors sein, der zugleich als Energiespeicher dient, da bei einer thermischen Filterreinigung angelagerter Rußpartikel eine hohe Wärmemenge frei wird. Ferner ist es denkbar den Wärmetauscher zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente, etwa der
Katalysatoreinheit eines Ottomotors, zu verwenden. Für beide Anwendungsfälle kann auf die Führungsschichten für das Heizmedium verzichtet werden, wenn ein direkter thermischer Kontakt zwischen der jeweiligen Fahrzeugkomponente und der angrenzenden Führungsschicht für das Arbeitsmittel hergestellt wird. Zylindrisch ausgebildete Stapelfolgen sind im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. Dabei kann insbesondere die Durchmischung des Heizmediums in der Führungsschicht für das Heizmedium und des Arbeitsmittels in der Führungsschicht für das Arbeitsmittel durch Elemente zur Erzeugung von Strömungswirbeln verbessert werden. Zu diesem Zweck kann die Oberflächenrauigkeit der Wandungen der medienführenden Kanäle erhöht werden. Ferner sind im Einzelnen nicht näher dargestellte Ausgestaltungen mit gerippten Wandungskonturen für die Durchgangsöffnung 5 in den Kanalplatten 4.1 - 4.4 zur Durchmischungsförderung vorteilhaft.
Bezugszeichenliste
1 Stapelfolge
2.1,2.2,2.3,
2.4, ...,2.8 Führungsschicht für das Heizmedium
3.1,3.2,3.3,
3.4, ...,3.9 Führungsschicht für das Arbeitsmittel
4.1,4.2,
4.3 ,4.4 Kanalplatte
5 Durchgangsöffnung
6.1 ,6.2, 6.3
6.4 C 3.7 Deckplatte
7 Zulauf
8 Ablauf
9 erster Abschnitt
10 erster freier Querschnitt
11 zweiter Abschnitt
12 zweiter freier Querschnitt
13. 1,13. .2 Abstandshalter
14 Strömungsleitblech
15, 15.1 ,15 .2 Rand platte
16 Arbeitsmittelkanal
17. 1,17 .2 Durchgangsöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher für den Wärmeübertrag von einem Heizmedium, insbesondere dem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, auf ein Arbeitsmittel, das im Wärmetauscher verdampft, umfassend
1.1 eine alternierende Stapelfolge (1 ) aus Führungsschichten für das Heizmedium (2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8) und Führungsschichten für das Arbeitsmittel (3.1 , 3.2, 3.3, ... , 3.9); in denen das Heizmedium und das Arbeitsmittel im Kreuzgegenstrom geführt sind; 1.2 jede Führungsschicht für das Arbeitsmittel (3.1 , 3.2, 3.3, ... , 3.9) umfasst eine Kanalplatte (4.1 , 4.2, 4.3, 4.4), die wenigstens eine mäanderförmig angelegte Durchgangsöffnung (5) aufweist, wobei zu beiden Seiten der Kanalplatte (4.1 , 4.2, 4.3, 4.4) Deckplatten (6.1 , 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) angeordnet sind, die die Durchgangsöffnung (5) unter Bildung eines Arbeitsmittelkanals (16) bis auf einen Zulauf (7) und einen Ablauf (8) seitlich verschließen, und wobei
1.3 die Kanalplatte (4.1 , 4.2, 4.3, 4.4) mit den Deckplatten (6.1 , 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) stoff schlüssig verbunden ist; und wobei
1.4 der Arbeitsmittelkanal (16) einen vom Zulauf (7) ausgehenden ersten Abschnitt (9) mit einem ersten freien Querschnitt (10) und einen in den
Ablauf (8) mündenden zweiten Abschnitt (11 ) mit einem zweiten freien Querschnitt (12) umfasst, der weiter als der erste freie Querschnitt (10) ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (11 ) des Arbeitsmittelkanals (16) der Führung und
Nachüberhitzung des verdampften Arbeitsmittels dient.
3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Führungsschicht für das Heizmedium (2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8) Abstandshalter (13.1 , 13.2) umfasst, die angrenzende Deckplatten (6.1 , 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) voneinander beabstanden.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (13.1 , 13.2) als Strömungsleitbleche ausgebildet sind.
5. Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschichten für das Heizmedium (2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8) und die Führungsschichten für das Arbeitsmittel (3.1 , 3.2, 3.3, ... , 3.9) stoffschlüssig verbunden sind.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur stoffschlüssigen Verbindung ein Lötverfahren, bevorzugt mittels eines Ni- Lots oder eines Cu-Lots, oder ein Schweißverfahren verwendet wird.
7. Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalplatte (4) und/oder die Deckplatten (6.1 ,
6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6) der Führungsschicht für das Arbeitsmittel (3.1 , 3.2,
3.3, ... , 3.9) aus einem Blech aus Edelstahl oder einer Aluminiumlegierung gebildet sind.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech eine Stärke von 0,2 - 2 mm, bevorzugt von 0,3 - 1 ,5 mm, aufweist.
9. Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschichten für das Arbeitsmittel (3.1 , 3.2, 3.3, ... , 3.9) als ebene Schichten oder als koaxial angeordnete, zylindrische
Schichten ausgebildet sind.
10. Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschichten für das Heizmedium (2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8) Elemente zur Erzeugung von Strömungswirbeln umfassen.
11. Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschichten für das Heizmedium (2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8) mit einer korrosionshemmenden und/oder katalytisch wirkenden Beschichtung versehen sind.
12. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Herstellungsschritt die Komponenten zur Ausbildung der Führungsschichten für das Heizmedium (2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8) und der Führungsschichten für das Arbeitsmittel (3.1 , 3.2, 3.3, ... , 3.9) gestapelt und zentriert werden und in einem nachfolgenden Herstellungsschritt der Stoffschluss der Elemente unter Kraftbeaufschlagung in Stapelrichtung erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die
Herstellung des Stoffschlusses die Komponenten des Wärmetauschers erhitzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmig angelegte Durchgangsöffnung (5) in der
Kanalplatte (4.1 , 4.2, 4.3, 4.4) durch ein Stanz- oder Fräsverfahren oder eine Ätz- oder Laserstrukturierung ausgebildet werden.
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