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Die
Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Ein
Stapelscheiben-Wärmeübertrager
dieser Art ist aus der
DE
199 06 180 A1 bekannt. Dort geht es allerdings um die Warmwasserbereitung
und -speicherung, und es ist dort deshalb vorgesehen, dem Stapel
aus Wärmeübertragungsplatten,
der zwischen zwei Endplatten angeordnet ist, einen weiteren Stapel
aus Wärmeübertragungsplatten
nachzuordnen, die im Unterschied zum Stapel für das Heizwasser größere Profilierungen
als Höhenbegrenzung als
die Platten für
das Heizwasser haben, so dass die dort für das Brauchwasser vorgesehenen
Fließspalte einen
größeren Querschnitt
aufweisen als jene für das
Heizwasser.
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Bei
Stapelscheiben-Ölkühlern, wie
sie üblicherweise
verwendet werden (siehe
DE
197 16 845 A1 ), werden alle Scheiben parallel durchströmt. Die Wärmeaustauschfläche wird
daher durch die Anzahl der Scheiben bestimmt. Je größer daher
die Scheibenanzahl und die Wärmeaustauschfläche wird, umso
mehr sinkt die Reynoldszahl. Es gibt daher ein Maximum von Scheiben, über dem
keine Leistungssteigerung mehr erzielt werden kann, weil dann der Vorteil
einer größeren Wärmeübertragungsfläche durch
den Nachteil der geringeren Wärmeübertragung
aufgrund der kleineren Reynoldszahl ausgeglichen wird.
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In
Kraftfahrzeugen, insbesondere bei der Getriebeöl- und Kraftstoffkühlung, ist
es aber notwendig, relativ große
Wärmemengen
aus geringen Volumenströmen
abzuführen.
Der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, nach einer
Möglichkeit
der Erhöhung
der Wärmeabfuhr
zu suchen, ohne an die Vergrößerung der
Wärmeübertragungsfläche gebunden
zu sein.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Stapelscheiben-Wärmeübertrager der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass Strömungsweg
und Verweilzeit eines der Medien – im konkreten Fall eines Ölkühlers diejenigen
des Öls – in einem
Stapelabschnitt durch Umlenkung zur Zulaufseite vergrößert werden,
ehe das Medium im zweiten Stapelabschnitt von der Zulaufseite zur
Ablaufseite gelangt.
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Durch
diese Ausgestaltung wird eine intensivere Kühlung des Öles ermöglicht, ohne dass der Wärmeübergang
durch absinkende Reynoldszahlen kleiner wird. Die Ausgestaltung
weist auch den Vorteil auf, dass die bisherige Bauweise eines Stapelscheiben-Ölkühlers beibehalten
werden kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass alle Platten
mit je zwei Vorsprüngen
und Durchgangsöffnungen
für beide
Medien und mit zwei weiteren Vorsprüngen und Durchgangsöffnungen
zur Rückführung jedes
der Medien zur Eintrittsseite versehen sind. Es wird auf diese Weise möglich, auch
die übliche
Bauweise von Stapelscheiben-Ölkühlern beizubehalten,
bei denen die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels auf einer Seite und
die Zu- und Abfuhr des Öles
auf der anderen Seite des Wärmeübertragers
erfolgt.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann in einfacher Weise in einer die
Begrenzung des Stapelabschnittes bildenden Platte die zum Rücklauf führende Durchgangsöffnung und
in der den Stapelabschnitt auf der anderen Seite begrenzenden Platte
die Durchgangsöffnung
zum Zufuhrkanal verschlossen werden. Der Gesamtaufbau und die Herstellungsweise
des Stapelscheiben-Wärmeübertragers
kann dadurch beibehalten werden, was auch dadurch noch möglich ist,
dass in Weiterbildung der Erfindung die Zu- und Abführöffnung für die beiden
Medien auf entgegengesetzten Seiten des Stapelscheibenblockes, auf
denen je eine Abschlussscheibe mit den Anschlussstutzen liegt, vorgesehen
wird. Dabei kann dann eine Abschlussscheibe auf einer Seite mit
Umlenkkanälen
für das
an der anderen Seite zugeführte Medium
versehen werden.
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Die
Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles
in der Zeichnung gezeigt und wird im folgenden erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragers
mit schematisch angedeuteten Strömungsrichtungen
der an der Wärmeübertragung
beteiligten Medien,
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2 die
Ansicht einer in 1 nicht gezeigten oberen Abschlussplatte,
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3 den
Schnitt längs
der Linie III-III in 2,
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4 die
schematische Darstellung der ersten an die Abschlussscheibe der 2 angrenzenden
Wärmeübertragerplatte,
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5 die
zweite an die Platte der 4 angrenzende Wärmeübertragerplatte,
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6 eine
schematische Erläuterung
der in den 4 und 6 – und in
weiteren Figuren – dargestellten Öffnungen
in den Platten zur Bildung der Verbindungskanäle,
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7 die
an die Wärmeübertragerplatte
der 5 angrenzende Wärmeübertragerplatte,
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8 die
an die Platte der 7 angrenzende Wärmeübertragerplatte,
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9 die
an die Wärmeübertragerplatte
der 8 anschließende
Wärmeübertragerplatte,
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10 die
an die Wärmeübertragerplatte der 9 anschließende Wärmeübertragerplatte, bei
der die Zufuhröffnung
für das
eine Medium – Öl – verschlossen
ist,
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11 die
an die Wärmeübertragerplatte der 10 angrenzende
Wärmeübertragerplatte,
in deren Hohlraum die Strömungsrichtung
des Öls
umgekehrt ist,
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12 die
an die Wärmeübertragerplatte der 11 angrenzende
Wärmeübertragerplatte,
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13 die
nach Zwischenschaltung von drei Wärmeübertragerplatten nach den 11 bzw. 12 folgende
Wärmeübertragerplatte,
in der die Zuflussöffnung
für das Öl verschlossen
ist,
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14 die
an die Wärmeübertragerplatte der 13 angrenzende
Wärmeübertragerplatte,
in deren mit der Wärmeübertragerplatte
nach 13 gebildeten Hohl raum das Öl nunmehr wieder die Strömungsrichtung
einnimmt, die es in dem Hohlraum zwischen der Platte nach 7 und 5 hatte,
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15 eine
Variante einer Wärmeübertragerplatte
für die
Bildung des vom Kühlmittel
durchströmten
Hohlraumes und
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16 die
daran anschließende
Wärmeübertragerplatte
für die
Bildung des von Öl
durchströmten
Hohlraumes.
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In
der 1 ist ein erfindungsgemäßer Stapelscheiben-Wärmeübertrager in der Form eines Ölkühlers für einen
Kraftfahrzeugmotor gezeigt. Der Stapelscheiben-Wärmeübertrager ist dabei – wie an sich
bekannt – aus
mehreren schalenförmig
ausgestalteten Platten aufgebaut, die auf Abstand zueinander aufeinandergestapelt
und dann an ihren Rändern dicht
verbunden, beispielsweise verlötet,
sind. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel
soll zur Erläuterung davon
ausgegangen werden, dass 17 solcher Platten, wie sie im
einzelnen in den 4 bis 14 gezeigt
sind, aufeinandergestapelt sind, wobei die Platten 1 bis 6 einen
Stapelbereich bilden, in dem das im Sinn des Pfeiles 20 zugeführte Öl von dem
in bekannter Weise gebildeten Zuführkanal 21 aus zu
einem gegenüberliegenden
Sammelkanal 22 und von dort wieder zum Zulaufkanal 21 umgelenkt
wird, ehe es durch einen Austrittskanal 23 im Sinn des
Pfeiles 24 wieder aus dem Kühler austritt.
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Das
Kühlmittel – beim Ausführungsbeispiel das
Kühlmittel
des Motors – wird
auf der von der Zu- und Ablaufseite für das Öl abgewandten Oberseite des
Stapelscheiben-Wärmeübertragers
im Sinn des Pfeiles 25 zugeführt, durchströmt in bekannter
Weise die ihm zugeordneten Hohlräume
innerhalb des Stapelscheiben-Wärmeübertragers,
wird dann in einem Sammelkanal im Sinn des Pfeiles 26 nach
oben geführt,
dort noch einmal umgelenkt und tritt im Sinn des Pfeiles 28 wieder
aus dem Kühler
aus. Natürlich wäre es möglich, auf
die Umlenkung 27 zu verzichten und das Kühlmittel
unmittelbar aus einer entsprechenden Öffnung im Sinn des Pfeiles 26 austreten
zu lassen. Um diese Art der Durchströmung des Kühlers mit Öl zu erreichen, ist der Zuflusskanal 21 für das Öl durch
das Verschließen
der Öffnung
(29) in der Stapelscheibe Nr. 6 (siehe 13)
am weiteren Durchfluß im
Zuführkanal 21 nach
oben gehindert. Das Öl wird
daher durch seine zugeordneten Kammern, die jeweils benachbart zu
Kammern liegen, die vom Kühlmittel
durchströmt
sind, im Sinn der Pfeile 30 zum Sammelkanal 22 fließen und
wird von dort aus durch das Verschließen der Verbindungsöffnung 31 in
der Platte 12 (10) gezwungen,
nunmehr im Sinn der Pfeile 32 zurück zum Zufuhrkanal 21 zu
strömen,
um von dort aus dann in den letzten Scheiben 13, 15 und 17 wieder
im Sinn der Pfeile 30a zurück zum Sammelkanal 22 und
von dort über
die Umlenkung 33 durch den Austrittskanal 23 im
Sinn des Pfeiles 24 nach unten austreten zu können.
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Das Öl legt auf
diese Weise innerhalb des Stapelscheibenkühlers einen größeren Weg
als das der Fall gewesen wäre,
wenn es in bekannter Weise vom Zuführkanal 21 aus im
Gegenstrom zum Kühlmittel
nur von einer zur anderen Seite in den entsprechenden Hohlkammern
geströmt
wäre. Die
Verweilzeit des Öles
innerhalb des Kühlers
wird dadurch erhöht,
und es kann der Wärmeübergang
vergrößert werden,
ohne dass die Gefahr besteht, dass die von der Durchströmmenge und
der Spalthöhe
innerhalb der Hohlkammern und damit von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Reynoldszahl
zu klein werden würde,
um noch einen Wärmeübertragungsfaktor
im Bereich der Turbulenz zu erzielen. Es ist natürlich ohne weiteres möglich und
auch nötig,
die Anzahl der in den Stapelabschnitten liegenden Platten und damit
den Gesamtquerschnitt für
die Durchströmung anders
zu bestimmen, als dies jetzt anhand des Ausführungsbeispieles zum Zweck
der Erläuterung
dargestellt ist. Der Stapelabschnitt 34, der beim Ausführungsbeispiel
die Platten 1 bis 12 umfaßt, sollte allerdings stets
etwa die doppelte Anzahl von Platten aufweisen, wie der Stapelabschnitt 35,
wenn die gleiche Strömungsgeschwindigkeit
in allen vom Öl
durchströmten
Hohlräumen
beibehalten werden soll.
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Die 2 zeigt
die den Stapel nach 1 oben abschließende Abschlussplatte 18,
die in 1 aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist. Diese Platte 18 besitzt im Bereich
des Zuführkanales 36 für das Kühlmittel
einen Anschlussstutzen 37 und einen zweiten Anschlussstutzen 38 für den Rücklauf des
Kühlmittels
im Sinn des Pfeiles 28. Sie ist ferner mit einer Auswölbung 39 und
einem Verbindungskanal 40 jeweils für die Umlenkung des Kühlmittels
vom Sammelkanal 26 zum Austrittsstutzen 38 und
vom Sammelkanal 22 des Öls
zum Austrittskanal im Sinn des Pfeiles 24 versehen. Die
an diese Platte 18 angrenzende oberste Platte des Stapels,
die den letzten von Öl
durchflossenen Hohlraum bildet, besitzt eine offene Zuflussöffnung 21 im
Bereich des Zuflusskanals und eine ebenfalls offene Öffnung im Bereich
des Sammelkanals 22. Eine die Verbindung zu der benachbarten
kühlmitteldurchströmten Kammer
abschließende
Verbindungsöffnung 23 führt zum Kanal 40 der
Umlenkung 39 bzw. zu den darunter liegenden Hohlkammern,
die von Öl
durchflossen werden, um einen Rückfluß im Sinn
des Pfeiles 24 zu ermöglichen.
Die Platte 17 besitzt außerdem die Öffnungen 26 und 37,
die jeweils in an sich bekannter Weise an der Stirnseite von Vorsprüngen angebracht sind,
die kegelstumpfförmig
ausgebildet sein können und
eine Höhe
aufweisen, die bis zur benachbarten Platte reicht. Diese Kegelstümpfe können daher
dicht mit der benachbarten Platte verbunden werden, so dass die Öffnung 37 und 26 für das Kühlmittel
in dem von der Platte 17 gebildeten Hohlraum – der zur Durchströmung mit Öl gedacht
ist – abgesperrt
ist. Die 6 soll schematisch zeigen, wie
die Darstellung der Kegelstümpfe 41 zu
verstehen ist. Sie stellen jeweils die Verbindung der vom gleichen
Medium durchströmten
Hohlräume
untereinander dar, wobei alle von den Platten mit ungeraden Ziffern
gebildeten Hohlräume
von Öl
und die von mit geraden Ziffern versehenen Platten gebildeten Hohlräume vom
Kühlmittel
durchströmt
sind.
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Dies
zeigt auch 5, wo die Platte 16 einen vom
Kühlmittel
durchströmten
Hohlraum bildet, wobei hier aus dem Zuführkanal 37 das Kühlmittel
in den Hohlraum strömt
und diesen wieder durch den Sammel- und Rückflusskanal 26 verläßt.
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Dieses
System setzt sich, wie die 7 bis 9 zeigen,
nach unten stets abwechselnd fort, bis zur Platte 12 (10),
bei der nun die Verbindungsöffnung 31,
die an sich die Verbindung der beiden an die Platte 12 angrenzenden,
von den Platten 13 bzw. 11 gebildeten und vom Öl durchströmten Hohlräume bilden
würde,
geschlossen ist.
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Dies
führt dazu,
wie 11 zeigt, dass das Öl in der von einer Platte 11 gebildeten
Kammer entgegengesetzt, nämlich
im Sinn der Pfeile 32 und nicht mehr im Sinn der Pfeile 30,
strömt.
Die von den Platten 11, 9 und 7 (die
Platten 9 und 7 sind nicht im einzelnen gezeigt,
weil sie der Platte 11 nach 11 entsprechen)
durchströmten
Hohlräume
werden daher alle im Sinn der Pfeile 32 durchströmt, wobei
das Öl
hier vom Sammelkanal 22 aus zum Zuführkanal 21 zurückströmt. Die
Scheibe 6 (13) besitzt nun eine Verbindungsöffnung 29,
die ähnlich
wie die Öffnung 31 der
Scheibe 12 verschlossen ist, so dass beginnend mit dem
von der Platte bzw. Scheibe 5 gebildeten Hohlraum das Öl wieder
im Sinn der Pfeile 30 von der dem Zufuhrkanal 21 verbundenen Öffnung aus
zum Sammelkanal 22 strömt.
Dies setzt sich fort in den von den nicht gezeigten Platten 3 und 1 gebildeten
Hohlräumen,
wobei anschließend
an die Platte 1 eine mit den Anschlussstutzen für das Öl versehene
Abschlussplatte vorgesehen wird. Auf diese Weise sind die Zu- und
Abfuhröffnungen
für das
Kühlmittel 28 und 36 auf
einer Seite des Stapelscheiben-Wärmeübertragers
und die – nicht
gezeigten – Zu-
und Abführstutzen
für das Öl (das im
Sinn der Pfeile 20 und 24 zu- und abgeführt wird)
auf der entgegengesetzten Seite des Stapelscheibenkühlers vorgesehen.
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Die 15 und 16 zeigen
abgewandelte Scheiben 42 bzw. 43 für die Durchströmung mit Kühlmittel
(Blatt 42) bzw. Öl
(Blatt 43). Hier ist nämlich
jeweils zwischen den Zuführkanälen 44 für das Kühlmittel
und dem zugeordneten Abflusskanal 45 vorgesehen, Trennwände 46 anzuordnen,
durch die das Kühlmittel
gezwungen wird, einen längeren
Weg innerhalb der von der Platte 42 gebildeten Kammer zurückzulegen.
Dies gilt auch für
die von der Platte 43 gebildete Kammer für die Durchströmung mit Öl, wo zwischen
den Zuführöffnungen 47 und 48 vier Trennwände 49 angeordnet
sind, die dem Öl
eine mäanderartige
Strömung
aufzwingen. Auch diese Maßnahme
dient zur Erhöhung
des Wärmeüberganges,
wie dies bei anderen Wärmeübertragern
an sich schon bekannt ist.
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Es
hat sich herausgestellt, dass durch die Umlenkung in den Stapelabschnitten 34 und 35 – wie beschrieben – und bei
Verwendung von Platten nach den 15 und 16 ein
Wirkungsgrad für
die Wärmeübertragung
bis zu 90° möglich ist.
Standard-Stapelscheibenölkühler – auch wenn
sie mit Umlenkungen in den Platten gemäß 15 und 16 versehen
sind – erreichen
nur maximale Wirkungsgrade von ca. 60%. Die Ausbildung der Durchströmung gemäß der vorliegenden
Erfindung bringt daher Vorteile hinsichtlich der Wärmeübertragung. Die
beim Stand der Technik durch Erhöhung
der Übertragungsfläche entstehenden
Nachteile hinsichtlich der Reyonoldszahl werden aber vermieden.