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DE19528116B4 - Wärmeübertrager mit Platten-Sandwichstruktur - Google Patents

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DE19528116B4
DE19528116B4 DE19528116A DE19528116A DE19528116B4 DE 19528116 B4 DE19528116 B4 DE 19528116B4 DE 19528116 A DE19528116 A DE 19528116A DE 19528116 A DE19528116 A DE 19528116A DE 19528116 B4 DE19528116 B4 DE 19528116B4
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plates
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heat exchanger
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Behr GmbH and Co KG
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Abstract

Wärmeübertrager mit einer Platten-Sandwichstruktur aus mehreren aufeinander gestapelten Platten, von denen wenigstens eine mit strömungskanalbildenden Durchbrüchen versehen ist, wobei die Sandwichstruktur eine Strömungskanalplatteneinheit aufweist, die aus einer oder mehreren aufeinander liegenden, jeweils mit Strömungskanal-Durchbrüchen (8, 9) versehenen Strömungskanalplatten (3, 4) gebildet ist, wobei durch die Strömungskanal-Durchbrüche in der einen Strömungsplatte bzw. durch sich überlappende Strömungskanal-Durchbrüche (8, 9) mehrerer aneinandergrenzender Strömungskanalplatten ein oder mehrere Strömungspfade gebildet sind, die sich zwischen einer Zuflussstelle und einer Abflussstelle erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandwichstruktur wenigstens zwei strömungskanalabdeckende Platten aufweist, zwischen welchen die Strömungskanalplatteneinheit angeordnet ist, wobei eine der strömungskanalabdeckenden Platten mindestens eine Zufluss- und eine Abflussöffnung aufweist, und dass sich die jeweiligen Strömungspfade überwiegend parallel zur Plattenebene erstrecken.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Derartige Wärmeübertrager werden beispielsweise in der Patentschrift DE 32 06 397 C2 beschrieben. Dort sind gleichartige Platten, die jeweils mit parallelen Reihen von länglichen Durchbrüchen versehen sind, so aufeinandergestapelt, daß die Durchbrüche einer Platte mit benachbarten Durchbrüchen derselben Reihe einer angrenzenden Platte überlappen und dadurch in Fluidverbindung stehen. Auf diese Weise bildet jede Gruppe übereinanderliegender Reihen von Durchbrüchen ein zweidimensionales Strömungskanal-Netzwerk, wobei die Netzwerkebenen parallel zur Stapelrichtung liegen und die einzelnen Netzwerke untereinander nicht in Fluidverbindung stehen. Durch geeignete Zufluß- und Abflußeinrichtungen an den Seiten des Sandwichs, zu denen hin die Netzwerke offen sind, können die einzelnen Netzwerke in mehrere Gruppen aufgeteilt werden, von denen jede von einem bestimmten Fluid durchströmt wird.
  • Die FR 2 583 864 A1 beschreibt einen aus mehreren aufeinandergestapelten Platten aufgebauten Tauschbereich für einen Wärmetauscher. Die Platten weisen aneinandergereihte Perforierungen auf, die Strömungskanäle bilden, welche sich im Wesentlichen senkrecht zur Plattenebene erstrecken.
  • Aus der Patentschrift DE 37 09 278 C2 ist ein Wärmeübertrager mit Platten-Sandwichstruktur bekannt, bei dem aufeinandergestapelte Platten auf einer der beiden Flachseiten mit nebeneinanderliegenden Längsnuten versehen sind, die als Strömungskanäle dienen.
    •
  • Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Wärmeübertragers der eingangs genannten Art zugrunde, dessen Platten-Sandwichstruktur mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und eine hohe Druckbeständigkeit, ein geringes inneres Volumen sowie ein zufriedenstellendes Wärmeübertragungsvermögen aufweist.
  • Dieses Problem wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Aufbau der Platten-Sandwichstruktur ist mit verhältnismäßig wenig Aufwand möglich, indem die Strömungskanäle zur Durchführung des oder der Wärmeübertragungsfluide von geeignet angeordneten Strömungskanal-Durchbrüchen gebildet sind, die in einfacher Weise beispielsweise durch Stanzen eingebracht werden können. In Stapelrichtung wird eine oder eine Mehrzahl von zu einer Strömungskanalplatteneinheit zusammengefaßten Strömungskanalplatten beidseitig von strömungskanalabdeckenden Platten bedeckt, so daß jeder Strömungspfad auf den Raum zwischen je zwei strömungskanalabdeckenden Platten begrenzt bleibt und daher überwiegend parallel zur Plattenebene verläuft, wobei die Strömungskanalplatten bevorzugt so gestaltet sind, daß ein möglichst hoher Flächenanteil durchbrochen ist, d.h. zu den Strömungspfaden beiträgt. Die Bildung eindimensionaler Strömungspfade erleichtert in Vergleich zu dem eingangs erwähnten, bekannten, zweidimensionalen Strömungskanal-Netzwerk die Erzielung eines weitgehend geradlinigen Strömungsverhaltens. Der Wärmeübertrager ist zudem mit vergleichsweise geringer Ausdehnung in Stapelrichtung, d.h. mit wenigen Platten, realisierbar, da die wärmeaustauschwirksamen Strömungspfade innerhalb einer oder einiger weniger aneinandergrenzender Strö mungskanalplatten und nicht merklich in Stapelrichtung verlaufen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 beinhaltet die Platten-Sandwichstruktur für den Wärmeübertrager als Strömungsplatteneinheit nur eine Strömungskanalplatte, in die ein oder mehrere, strömungspfadbildende Strömungskanal-Durchbrüche eingebracht sind und die zwischen zwei zugehörigen strömungskanalabdeckenden Platten liegt. In einem minimalen Aufbau genügen so bereits drei Einzelplatten zur Realisierung einer funktionsfähigen Sandwichstruktur.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 beinhaltet jede Strömungskanalplatteneinheit in der Platten-Sandwichstruktur zwei mit Strömungskanal-Durchbrüchen versehene Platten, deren Durchbrüche sich strömungspfadbildend überlappen. Auf diese Weise können Strömungspfadanordnungen, die aus topologischen oder Stabilitätsgründen mit Durchbrüchen in nur einer Platte nicht möglich sind, realisiert werden, indem die Strömungspfade abschnittweise auf sich überlappende Durchbrüche in den beiden Strömungskanalplatten aufgeteilt werden. Die Strömungspfade verlaufen dann entlang ihrer Länge abwechselnd in der einen bzw. in der anderen Platte und damit immer noch überwiegend parallel zu den Platten.
  • Durch eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird über eine oder beide der strömungskanalabdeckenden Platten, die eine jeweilige Strömungskanalplatteneinheit begrenzen, ein Zufluß und/oder ein Abfluß zu dieser Strömungskanalplatteneinheit geschaffen. Handelt es sich bei der strömungskanalabdeckenden Platte um eine Endplatte der Sandwichstruktur, so kann diese Zufluß- bzw. Abflußöffnung als Anschluß nach außen verwendet werden. Die Öffnungen in innenliegenden strömungskanalabdeckenden Platten können beispielsweise zum parallelen Zufluß bzw. Abfluß des Fluids zu bzw. von mehreren Strömungskanalplatteneinheiten, die jeweils durch eine strömungskanalabdeckende Platte voneinander getrennt sind, ver wendet werden. Es versteht sich, daß die jeweilige Zufluß- und/oder Abflußöffnung einer strömungskanalabdeckenden Platte mit einem zugehörigen Strömungskanal-Durchbruch einer angrenzenden Strömungskanalplatte überlappt, wobei dieser Überlappungsbereich die Zufluß- bzw. Abflußstelle der Strömungskanalplatte bildet.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 werden mittels Überlappung der entsprechenden Zufluß- bzw. Abflußöffnungen in Stapelrichtung verlaufende Zufluß- bzw. Abflußkanäle gebildet, über welche ein oder mehrere Fluide parallel durch die jeweils zugeordneten Strömungskanalplatteneinheiten in der Sandwichstruktur hindurchgeleitet werden können. Die Zufluß- bzw. Abflußöffnungen in den Strömungskanalplatteneinheiten bilden dabei gleichzeitig die jeweilige Zufluß- bzw. Abflußstelle eines zugehörigen, von einem oder mehreren Strömungskanal-Durchbrüchen gebildeten Strömungspfades.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist wenigstens eine innenliegende strömungskanalabdeckende Platte als ungelochte Trennplatte ausgeführt. Die Trennplatte bildet eine Fluidtrennung für zwei beidseitig angrenzende Strömungskanalplatteneinheiten, durch die folglich zwei unterschiedliche Fluide geführt werden können, zwischen denen Wärme über die Trennplatte übertragen werden kann.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 ist die Platten-Sandwichstruktur auf besonders ökonomische Weise durch Aufeinanderfalten eines geeignet mit den benötigten Durchbrüchen versehenen Endlosbandbleches und anschließendes fluiddichtes Verbinden der aufeinandergefalteten und zusammengepreßten Blechplattenabschnitte gefertigt.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
  • 1 in der linken Hälfte unten eine schematische Draufsicht auf eine Sandwichstruktur aus vier Platten für einen Einfluid-Wärmeübertrager und oben einen Längsschnitt entlang der Linie I-I sowie in der rechten Hälfte Drauf sichten auf die vier verwendeten Platten,
  • 2 eine Darstellung analog 1 für ein weiteres Beispiel eines Einfluid-Wärmeübertragers mit einer Sandwichstruktur aus vier Platten, jedoch mit gegenüber 1 modifizierter Gestaltung der vier Platten und einer Seitenansicht als linkes oberes Teilbild,
  • 3 eine Darstellung analog 1, jedoch für einen Einfluid-Wärmeübertrager mit einer Sandwichstruktur aus fünf Platten und mit einer Schnittansicht längs der Linie II-II als linkes oberes Teilbild,
  • 4 eine Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager mit mehreren Strömungskanalplatteneinheiten aus je zwei Strömungskanalplatten und mit einer Schnittansicht längs der Linie III-III als linkes oberes Teilbild,
  • 5 eine Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager mit einer Sandwichstruktur aus vier Platten und mit einer Schnittansicht längs der Linie IV-IV als linkes oberes Teilbild,
  • 6 eine Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager mit einer Sandwichstruktur aus drei Platten und mit einer Schnittansicht längs der Linie V-V als linkes oberes Teilbild,
  • 7 eine Darstellung analog 1, jedoch für einen Zweifluid-Wärmeübertrager mit einer minimalen Sandwichstruktur aus drei Platten und mit einer Schnittansicht längs der Linie VI-VI als linkes oberes Teilbild,
  • 8 eine Darstellung analog 1, jedoch für einen Mehrfluid-Wärmeübertrager mit mehreren Strömungskanalplatteneinheiten aus je zwei Strömungskanalplatten und mit einer Schnittansicht längs der Linie VII-VII als linkes oberes Teilbild,
  • 9 eine schematische Darstellung der Herstellung von Platten-Sandwichstrukturen aus einem Endlosbandblech,
  • 10 eine schematische Draufsicht auf einen als Batteriekühlelement verwendeten Einfluid-Wärmeübertrager mit einer aus zwei Strömungskanalplatten bestehenden Strömungskanalplatteneinheit,
  • 11 eine Draufsicht auf die erste der beiden Strömungskanalplatten des Batteriekühlelementes von 10 und
  • 12 eine Draufsicht auf die zweite Strömungskanalplatte für das Batteriekühlelement von 10.
  • Bei dem in 1 gezeigten Beispiel eines Einfluid-Wärmeübertragers beinhaltet dieser eine Platten-Sandwichstruktur (1) aus vier aufeinandergelegten, rechteckförmigen Platten (2 bis 5), die in der rechten Hälfte dieser Figur in der Stapelreihenfolge von unten nach oben jeweils in Draufsicht einzeln dargestellt sind. Die unterste Platte (2) ist ungelocht und bildet die untere Deckplatte des Platten-Sandwichs. Die oberste Platte (5) bildet die obere Deckplatte und ist in einem Seitenbereich mit zwei kreisrunden Durchbrüchen (6, 7) versehen, die als Zuflußöffnung und Abflußöffnung für das eine, durch die Platten-Sandwichstruktur (1) hindurchzuleitende Fluid dienen. Die beiden zwischen den Deckplatten (2, 5) liegenden Strömungskanalplatten (3, 4) sind jeweils mit länglichen Strömungskanal-Durchbrüchen (8, 9) dergestalt versehen, daß die Durchbrüche (8) der einen Strömungskanalplatte (3) jeweils mit zugehörigen Durchbrüchen der anderen Strömungskanalplatte (4) endseitig überlappen. Die Gesamtheit dieser Strömungskanal-Durchbrüche bildet dadurch zwei parallele Strömungspfade (10, 11), die sich jeweils zwischen einer mit der Zuflußöffnung (6) der oberen Deckplatte (5) überlappenden Zuflußstelle (12) und einer mit der Abflußöffnung (7) der oberen Deckplatte (5) überlappenden Abflußstelle (13) erstrecken, wie dies in der linken Hälfte unten gestrichelt skizziert ist.
  • Beide Strömungspfade (10, 11) haben in der Projektion auf die Plattenebene eine U-förmige Gestalt und nehmen zusammen einen merklichen Bruchteil der gesamten Plattenfläche ein. Wird ein Fluid (14) durch diese Sandwichstruktur hindurchgeleitet, so wird es abschnittweise über einen jeweiligen Durchbruch hinweg in der oberen (4) und unteren Strömungskanalplatte (3), die zusammen eine Strömungskanalplatteneinheit bilden, geführt, wobei es jeweils in den Überlappungsbereichen von einem Durchbruch in der einen zu einem nächsten Durchbruch in der anderen Strömungskanalplatte übergeht, wie im linken oberen Teilbild der Figur dargestellt. Die beiden endseitigen Deckplatten (2, 5) halten das Fluid (14) innerhalb der Strömungskanalplatteneinheit, so daß es über die Länge der Strömungspfade (10, 11) hinweg im wesentlichen parallel zur Ebene der Platten, d.h. senkrecht zur Stapelrichtung, strömt. Die Deckplatten (2, 5) dienen gleichzeitig als Wärmekontaktplatten zur Vermittlung eines Wärmeaustauschs zwischen dem in der Strömungskanalplatteneinheit strömenden Fluid und dem Bereich außerhalb der beiden Deckplatten (2, 5).
  • Alle Öffnungen bzw. Durchbrüche (6, 7, 8, 9) in den verwendeten Platten (2 bis 5) sind in einfacher Weise durch Stanzen herstellbar. Ein technisch aufwendigeres Umformen der Platten zur Bereitstellung der Strömungskanäle entfällt. Es ist aus der Figur des weiteren ersichtlich, daß durch die Aufteilung der beiden Strömungspfade (10, 11) auf sich geeignet überlappende Strömungskanal-Durchbrüche (8, 9) in den beiden Strömungskanalplatten (3, 4) eine höhere Stabilität für letztere erhalten bleibt, als wenn die beiden Strömungspfade direkt in eine einzige Platte eingebracht würden.
  • In 2 ist ein weiteres Beispiel eines Einfluid-Wärmeübertragers mit einer aus vier Platten (18 bis 21) bestehenden Sandwichstruktur (16) dargestellt. Wie im Beispiel von 1 ist die untere Deckplatte (18) ungelocht, während die obere Deckplatte (21) wiederum zwei Öffnungen (22, 23) beinhaltet, die als Zufluß bzw. Abfluß dienen und zu diesem Zweck jeweils an einer Stelle mit einem der Strömungskanal-Durchbrüche (24) überlappen, die in der oberen Strömungskanalplatte (20) eingebracht sind. Zusammen mit Strömungskanal-Durchbrüchen (25), die in der unteren Strömungskanalplatte (19) gebildet sind, entsteht beim Aufeinanderlegen der beiden Strömungskanalplatten (19, 20), die zusammen die Strömungskanalplatteneinheit zwischen den endseitigen Deckplatten (18, 21) bilden, das im linken unteren Teilbild gezeigte Strömungspfadnetzwerk (17). Letzteres beinhaltet ausgehend von einem von der Zuflußstelle abführenden und einem zur Abflußstelle hinführenden Strömungspfadabschnitt je zwei Verzweigungs- und Vereinigungsstellen. Da hierbei in der Projektion auf die Plattenebene ein vollständig von Strömungspfadabschnitten umschlossenes Gebiet (24') vorliegt, wäre eine Realisierung dieses Strömungspfadnetzwerks (17) mittels einer einzigen Strömungskanalplatte nicht möglich. Die Aufteilung des Strömungspfadnetzwerks (17) auf die beiden Strömungskanalplatten (19, 20) führt hingegen ersichtlich zu zwei Platten, welche sehr einfach durch Stanzen mit dem benötigten Muster von Durchbrüchen (24, 25) versehen werden können.
  • 3 zeigt ein Beispiel eines Einstoff-Wärmeübertragers, bei dem zwei sich nicht kommunizierend überkreuzende Strömungspfade (26, 27) innerhalb einer Platten-Sandwichstruktur (25) ausgebildet sind, die aus fünf übereinanderliegenden Platten (28 bis 32) besteht. Die unterste Platte (28) bildet wiederum eine ungelochte Deckplatte, während die oberste Platte mit einer Zuflußöffnung (33) und einer Abflußöffnung (34) versehen ist. Die zwischen diesen beiden endseitigen Platten (28, 32) liegende Strömungskanalplatteneinheit beinhaltet drei Strömungskanalplatten (29, 30, 31), die jeweils mit geeigneten Strömungskanal-Durchbrüchen (35, 36, 37) dergestalt versehen sind, daß durch deren Überlappung beim Aufeinanderlegen der drei Platten (29 bis 31) die beiden im linken unteren Teilbild ersichtlichen Strömungspfade (26, 27) gebildet werden. Diese Strömungspfade (26, 27) erstrecken sich in der lateralen Projektion wiederum U-förmig zwischen der mit der Zuflußöffnung (33) überlappenden Zuflußstelle zweier Durchbrüche (37) der obersten Strömungskanalplatte (31) und der mit der Abflußöffnung (34) überlappenden Abflußstelle zweier weiterer Strömungskanal-Durchbrüche (37) dieser obersten Strömungskanalplatte (31). Dabei überkreuzen sich die beiden Strömungspfade (26, 27) an einer Stelle (38) ohne Fluidverbindung zueinander, wobei in diesem Kreuzungsbereich (38) der eine Strömungspfad (26) innerhalb eines Druchbruchs (39) in der oberen Strömungskanalplatte (31) verläuft, während der andere Strömungspfad (27) entlang eines Durchbruchs (40) in der unteren Strömungskanalplatte (29) verläuft. Die mittlere Strömungskanalplatte (30) ist in diesem Kreuzungsbereich (38) ungelocht und sorgt somit für die Fluidtrennung der beiden Strömungspfade (26, 27) im Überkreuzungsbereich (38), wie aus der Schnittansicht im linken oberen Teilbild ersichtlich.
  • 4 zeigt einen Zweifluid-Wärmeübertrager mit einer Platten-Sandwichstruktur (42), die aus sieben Einzelplatten (43 bis 49) aufgebaut ist. Die obersten vier Platten (46 bis 49) entsprechen in ihrer Anordnung und Gestaltung genau den vier Platten des Beispiels von 1. Über eine Zuflußöffnung (50) und eine Abflußöffnung (51) in der obersten Deckplatte (49) kann folglich ein erstes Fluid durch die beiden parallelen Strömungspfade geleitet werden, die durch die Strömungskanalplatteneinheit gebildet werden, welche aus den überlappenden Strömungskanal-Durchbrüchen (52, 53) der beiden zwischenliegenden Strömungskanalplatten (47, 48) gebildet werden. Die untere (46) der vier oberen Platten (46 bis 49) bildet nun in diesem Beispiel eine Trennplatte, an die sich unterseitig zwei Strömungskanalplatten (44, 45) und eine abschließende untere Deckplatte (43) anschließen. Diese drei unteren Platten (43 bis 45) sind, wie aus der rechten Figurenhälfte zu erkennen, jeweils identisch gestaltet wie ihre bezüglich der mittigen Trennplatte (46) symmetrischen Gegenstücke in der oberen Sandwichhälfte, jedoch jeweils um 180° um die Plattenquerachse gegenüber diesen Gegenstücken verdreht. Somit besitzt die unterste strömungskanalabdeckende Platte (43) im entgegengesetzten Seitenbereich wie die oberste Deckplatte (49) eine Zuflußöffnung (54) und eine Abflußöffnung (55), die mit entsprechenden Zufluß- und Abflußstellen von Durchbrüchen (56) in der daraufliegenden Strömungskanalplatte (44) überlappen. Deren Strömungskanal-Durchbrüche (56) überlappen wiederum mit denjenigen (57) der darüberliegenden Strömungskanalplatte (45) zur Bildung zweier weiterer paralleler Strömungspfade (58, 59) in der so geschaffenen unteren Strömungskanalplatteneinheit. Durch die mittlere, ungelochte Trennplatte (46) bleiben die beiden Fluide voneinander getrennt, während Wärme zwischen den Fluiden über diese Trennplatte (46) hinweg übertragen werden kann.
  • 5 zeigt einen Zweifluid-Wärmeübertrager mit einer Platten-Sandwichstruktur (61), bei der für jedes der beiden Fluide mehrere Strömungskanalplatteneinheiten vorgesehen sind, wobei benachbarte Strömungskanalplatteneinheiten jeweils von verschiedenen Fluiden durchströmt werden. Endseitig sind eine untere (62) und eine obere Deckplatte (63) vorgesehen, von denen die obere eine Zufluß- und eine Abflußöffnung (64, 65) in einem Seitenbereich und die untere ebensolche Öffnungen (66, 67) in einem gegenüberliegenden Seitenbereich aufweisen. Dazwischen besteht der Plattenstapel aus zwei oder mehr Strömungskanalplatteneinheiten, die jeweils aus zwei einzelnen, aneinandergrenzenden Strömungskanalplatten (68, 69; 70, 71) bestehen und voneinander jeweils durch eine strömungskanalabdeckende Platte (72) getrennt sind. Wie im rechten Teilbild zu erkennen, sind sämtliche dieser zwischenliegenden Platten (68 bis 71) in den zwei entsprechenden, gegenüberliegenden Seitenbereichen mit jeweils einer Verteilerkanalöffnung (73, 74) und einer Sammelkanalöffnung (75, 76) versehen, die in Stapelrichtung fluchten und dadurch zusammen mit den Zuflußöffnungen (64, 66) bzw. Abflußöffnungen (65, 67) der äußeren Platten (62, 63) jeweils einen Verteiler- und Sammelkanal für die beiden Wärmeübertragungsfluide bilden, welche die Platten-Sandwichstruktur getrennt durchströmen. Dabei ist jeweils eine Verteiler- und eine Sammelkanalöffnung (73, 75; 74, 76) einer der beiden Strömungskanalplatten (76, 71) einer Strömungskanalplatteneinheit vom Ende eines der Strömungskanal-Durchbrüche (77, 78) gebildet, so daß sie als Zufluß- bzw. Abflußstelle für die betreffende Strömungskanalplatteneinheit fungieren.
  • Wie weiter im rechten Teilbild erkennbar, überlappen die Strömungskanal-Durchbrüche (77, 79; 78, 80) der beiden Platten (68, 69; 70, 71) einer Strömungskanalplatteneinheit zur Bildung eines U-förmigen Strömungspfades (81, 82). Dabei ist jede Platte (68, 69) einer Strömungskanalplatteneinheit identisch gestaltet wie ihr zur zwischenliegenden strömungskanalabdeckenden Platte (72) symmetrisch im Stapel positioniertes Gegenstück (71, 70) einer benachbarten Strömungskanalplatteneinheit, jedoch gegenüber diesem jeweils um 180° um die Plattenquerachse verdreht angeordnet, so daß der Strömungspfad (81) der einen Strömungskanalplatteneinheit Verbindung zum einen Verteiler- und Sammelkanal und der Strömungspfad (82) der benachbarten Strömungskanalplatteneinheit Verbindung zum anderen Verteiler- und Sammelkanal hat. Benachbarte Strömungskanalplatteneinheiten werden folglich von jeweils unterschiedlichen der beiden Wärmeübertragungsfluide durchströmt, wobei Wärme zwischen den beiden Fluiden über die jeweilige strömungskanalabdeckende Platte (72) hinweg übertragen werden kann. Durch Anordnen mehrerer Paare solcher benachbarter Strömungskanalplatteneinheiten mit zwischenliegender strömungskanalabdeckender Platte wird folglich eine Platten-Sandwichstruktur realisiert, bei der für zwei auf entgegengesetzten Stapelseiten zu- und abgeführte Fluide (83, 84) mehrere parallele Strömungspfade quer zur Stapelrichtung geschaffen sind, wobei sich die Strömungspfade für das eine und das andere Fluid zur Erzielung eines optimalen Wärmeübertragungsverhaltens abwechseln.
  • 6 zeigt einen Zweifluid-Wärmeübertrager mit einer aus vier Platten (90 bis 93) bestehenden Platten-Sandwichstruktur (94), bei welcher Zufluß und Abfluß beider Fluide von derselben, oberen Seite der Sandwichstruktur erfolgen. Zu diesem Zweck sind in die obere, strömungskanalabdeckende Platte (93) jeweils eine Zuflußöffnung (95, 96) und eine Auflußöffnung (97, 98) in gegenüberliegenden Eckbereichen eingebracht, während die untere, strömungsabdeckende Platte (90) als ungelochte Deckplatte ausgebildet ist. Zwischen den beiden strömungskanalabdeckenden Platten (90, 93) befindet sich eine aus zwei Strömungskanalplatten (91, 92) bestehende Strömungskanalplatteneinheit, wobei die Strömungskanal-Durchbrüche (99, 100) in diesen beiden Strömungskanalplatten (91, 92) so angeordnet sind, daß sie zur Bildung zweier parallel verlaufender, jedoch voneinander getrennter, mäanderförmiger Strömungspfade (101, 102) überlappen. Wie im linken unteren Teilbild ersichtlich, verlaufen beide Strömungspfade (101, 102) zwischen je einer Zuflußöffnung (95, 96) im einen Eckbereich und einer jeweils zugehörigen Abflußöffnung (97, 98) im gegenüberliegenden Eckbereich. Auf diese Weise können sie von zwei Fluiden (103, 104) im Gleichstrom oder bevorzugt, wie durch die Pfeile angedeutet, im Gegenstrom durchströmt werden.
  • In 7 ist ein Zweifluid-Wärmeübertrager dargestellt, der eine Platten-Sandwichstruktur (110) aufweist, zu deren Aufbau lediglich drei Einzelplatten (111, 112, 113) benötigt werden. Die unterste strömungskanalabdeckende Platte (111) ist als ungelochte Platte gestaltet, während in die obenliegende, strömungskanalabdeckende Platte (113) in gegenüberliegenden Eckbereichen jeweils eine Zuflußöffnung (114, 115) und eine Abflußöffnung (116, 117) eingebracht sind. Die zwischenliegende Strömungskanalplatte (112) ist mit zwei mäanderförmigen Strömungskanal-Durchbrüchen (118, 119) versehen, die abschnittsweise parallel verlaufend, jedoch voneinander getrennt angeordnet sind und jeweils in gegenüberliegenden Eckbereichen enden, in denen sie mit kreisrund erweiterten Zufluß- bzw. Abflußstellen versehen sind, die mit den Zufluß- bzw. Abflußöffnungen (114 bis 117) der oberen strömungskanalabdeckenden Platte (113) fluchten. Auf diese Weise können zwei Fluide (120, 121) im Gleichstrom oder, wie im unteren linken Teilbild durch die Pfeile angedeutet, bevorzugt im Gegenstrom durch die Sandwichstruktur quer zur Stapelrichtung hindurchgeleitet werden.
  • In 8 ist ein Wärmeübertrager für zwei oder mehr Fluide gezeigt, bei dem der Zufluß und der Abfluß der Fluide seitlich an der Platten-Sandwichstruktur (130) erfolgt. Zu diesem Zweck besteht die Sandwichstruktur (130) aus einer Abfolge von jeweiligen ungelochten Trennplatten (131, 132, 133), zwischen denen jeweils eine aus zwei Strömungskanalplatten (134, 135; 136, 137) bestehende Strömungskanalplatteneinheit angeordnet ist. Die Strömungskanal-Durchbrüche (138, 139; 140, 141) der beiden aufeinanderliegenden Platten (134, 135; 136, 137) einer jeweiligen Strömungskanalplatteneinheit überlappen dabei jeweils zur Bildung mehrerer geradliniger, paralleler Strömungspfade (142, 143), siehe das linke untere Teilbild. Die Strömungspfade (142, 143) münden dabei durch entsprechen de Gestaltung der zugehörigen Strömungskanal-Durchbrüche (139, 141) jeweils einer (135, 137) der beiden Platten (134, 135; 136, 137) einer Strömungskanalplatteneinheit offen zu den entsprechenden Seitenkanten hin aus, so daß von diesen Seiten der Sandwichstruktur der Zufluß und der Abfluß eines jeweiligen, die betreffende Strömungskanalplatteneinheit durchströmenden Wärmeübertragungsfluids erfolgen können. Dabei sind im gezeigten Beispiel die Strömungskanal-Durchbrüche (138, 139; 140, 141) benachbarter Strömungskanalplatteneinheiten so gestaltet, daß die zugehörigen Strömungspfade (142, 143) in der Projektion auf die Plattenebene senkrecht zueinander verlaufen. Auf diese Weise können durch je zwei benachbarte Strömungskanalplatteneinheiten (2) zwei Wärmeübertragungsfluide (144, 145) durch eine zwischenliegende Trennplatte getrennt, über welche die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden erfolgt, im Kreuzstrom hindurchgeleitet werden. Zufluß und Abfluß der Fluide erfolgen über die beiden Paare gegenüberliegenden Plattenseiten, wobei auf einer jeweiligen Plattenseite nur die Strömungskanal-Durchbrüche derjenigen Strömungskanalplatteneinheiten offen ausmünden, die von dem dort zufließenden bzw. abfließenden Fluid durchströmt werden sollen, während die Strömungskanalplatten der anderen Strömungskanalplatteneinheiten auf diesem Seitenbereich geschlossen sind. Günstig ist beispielsweise eine Anordnung, bei der jeweils jede übernächste Strömungskanalplatteneinheit vom selben Fluid durchströmt wird.
  • 9 zeigt ein Herstellungsverfahren, das sich zur Fertigung der beschriebenen und weiterer erfindungsgemäßer Platten-Sandwichstrukturen alternativ zum Aufeinanderstapeln einzelner Platten gleicher oder unterschiedlicher Plattendicke eignet. Bei diesem Verfahren wird zunächst in einem in der Figur oben rechts angedeuteten ersten Schritt ein Endlosbandblech durch Stanzen in geeigneter Weise mit den erforderlichen Durchbrüchen versehen. Anschließend wird, wie im mittleren Figurenteil dargestellt, das gelochte Endlosbandblech (150) so gefaltet, daß die gewünschten Blechplattenabschnitte übereinander zu liegen kommen. Die entstandene Blechplattenschichtung (151) wird dann durch Anwenden einer Druckkraft (D) zur gewünschten Platten-Sandwichstruktur (152) zusammengepreßt, wonach die aneinandergrenzenden Blechplattenabschnitte fluiddicht verbunden werden, z.B. je nach Werkstoff und Anforderungen durch Löten, Kleben oder Schweißen. Mit diesem Verfahren läßt sich die gesamte Platten-Sandwichstruktur aus einem einzigen Ausgangsbauteil fertigen.
  • Die genannten Verbindungstechniken eignen sich in gleicher Weise zur fluiddichten Verbindung der Platten bei Herstellung der Sandwichstruktur durch Übereinanderlegen einzelner Platten. In jedem Fall können die Plattenoberflächen geeignet behandelt werden, z.B. durch Lotplattieren, Klebebeschichten, etc.. Als Plattenmaterial können Metalle, Kunststoffe oder Keramik verwendet werden. Die endseitigen Deckplatten können jeweils geeignet beschichtet, z.B. emailliert, sein. Die Öffnungen bzw. Durchbrüche in den Blechplatten können außer durch Stanzen auch durch Nibbeln oder Laserschneiden und dergleichen eingebracht werden. Sich überlappende Strömungskanal-Durchbrüche angrenzender Strömungskanalplatten brauchen nicht unbedingt eine geradlinige, kollineare Gestalt haben, sondern können alternativ als geneigte, geradlinige Abschnitte, als Halbkreisbögen oder als kreisrunde Öffnungen gestaltet sein, so daß sich durch deren Überlappung zickzackförmige, schlangenlinienförmige oder sich durch versetzte kreisrunde Öffnungen fortsetzende Strömungspfade ergeben. Zur Gewichtseinsparung können die Platten zudem mit Blindöffnungen versehen sein, die keine Fluidströmungsfunktion erfüllen und von den Durchbrüchen bzw. Öffnungen mit Fluiddurchströmfunktion getrennt sind.
  • 10 zeigt in Draufsicht einen Einfluid-Wärmeübertrager in Form eines Batteriekühlelementes mit einer aus vier Platten bestehenden Sandwichstruktur, die nach Art des Beispiels von 1 aufgebaut ist. Speziell sind eine untere, ungelochte Deckplatte und eine obere, mit einer Zuflußöffnung (150) und einer Abflußöffnung (151) versehene Deckplatte vorgesehen, zwischen denen sich eine aus zwei Platten bestehende Strömungskanalplatteneinheit befindet. Die beiden zugehörigen Strömungskanalplatten sind in 11 und 12 dargestellt. Beide enthalten eine mit der Zuflußöffnung (150) der oberen Deckplatte korrespondierende Zuflußstelle (152, 154) sowie eine mit der Abflußöffnung (151) der oberen Deckplatte korrespondierende Abflußstelle (153, 155). Von den Zufluß- und Abflußstellen (152 bis 155) aus erstrecken sich jeweils drei Verteilerstränge (156, 157), und in die jeweilige Abflußstelle (153, 155) münden entsprechend jeweils drei Sammelstränge (158, 159). Über die gesamte rechteckige Fläche der jeweiligen Strömungskanalplatte hinweg sind zugehörige, voneinander getrennte, längliche Strömungskanal-Druchbrüche (160, 161) derart eingebracht, daß sich diese Durchbrüche beim Aufeinanderlegen der beiden Strömungskanalplatten zu einer Serie ineinanderliegender U-förmiger Strömungspfade (162) überlappen, die mit ihren offenen Enden jeweils in einen der durch fluchtende Überlappung der beiden einzelnen Verteiler- bzw. Sammelstränge (156, 157; 158, 159) gebildeten Verteiler- bzw. Sammelstränge (163, 164) der Strömungskanalplatteneinheit münden, wie aus 10 ersichtlich. Mit dieser Struktur kann eine Batterie mittels Hindurchleitung eines Kühlfluids durch die Platten-Sandwichstruktur effektiv gekühlt werden, wobei der Wärmeübertrager in diesem Fall als Wärmesenke dient.
  • Weitere Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Platten-Sandwichstruktur sind in Kühlflächen für anderweitige Zwecke, z.B. zur Kühlung elektronischer Bauelemente, sowie in Heizflächen beispielsweise für Fußböden, zu sehen. Die Wärme wechselt dabei im wesentlichen über Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung in oder aus dem Wärmeübertrager bzw. zwischen verschiedenen hindurchgeführten Wärmeübertragungsfluiden.

Claims (7)

  1. Wärmeübertrager mit einer Platten-Sandwichstruktur aus mehreren aufeinander gestapelten Platten, von denen wenigstens eine mit strömungskanalbildenden Durchbrüchen versehen ist, wobei die Sandwichstruktur eine Strömungskanalplatteneinheit aufweist, die aus einer oder mehreren aufeinander liegenden, jeweils mit Strömungskanal-Durchbrüchen (8, 9) versehenen Strömungskanalplatten (3, 4) gebildet ist, wobei durch die Strömungskanal-Durchbrüche in der einen Strömungsplatte bzw. durch sich überlappende Strömungskanal-Durchbrüche (8, 9) mehrerer aneinandergrenzender Strömungskanalplatten ein oder mehrere Strömungspfade gebildet sind, die sich zwischen einer Zuflussstelle und einer Abflussstelle erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandwichstruktur wenigstens zwei strömungskanalabdeckende Platten aufweist, zwischen welchen die Strömungskanalplatteneinheit angeordnet ist, wobei eine der strömungskanalabdeckenden Platten mindestens eine Zufluss- und eine Abflussöffnung aufweist, und dass sich die jeweiligen Strömungspfade überwiegend parallel zur Plattenebene erstrecken.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanalplatteneinheit aus einer einzelnen Strömungskanalplatte (112) besteht, in die ein oder mehrere, sich jeweils zwischen einer Zuflußstelle und einer Abflußstelle durchgehend erstreckende Strömungskanal-Durchbrüche (118, 119) zur Bildung eines oder mehrerer entsprechender Strömungspfade eingebracht sind.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanalplatteneinheit aus zwei mit Strömungskanal-Durchbrüchen (8, 9) versehenen Strömungskanalplatten (3, 4) besteht, wobei sich die Durchbrüche der beiden Platten zur Bildung eines oder mehrerer Strömungspfade (10, 11) überlappen.
  4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (5) der beiden strömungskanalabdeckenden Platten (2, 5) eine Zuflußöffnung (6) und/oder eine Abflußöffnung (7) aufweist.
  5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß alle innenliegenden Platten (68 bis 71) der Platten-Sandwichstruktur eine oder mehrere, voneinander getrennte, jeweils in Stapelrichtung überlappende Zuflußöffnungen (73, 74) bzw. Abflußöffnungen (75, 76) aufweisen, die mit jeweiligen Zufluß- und Abflußöffnungen (64, 66) überlappen, welche in einer oder verteilt in beiden stapelendseitigen, strömungskanalabdeckenden Platten (62, 63) eingebracht sind.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine innenliegende strömungskanalabdeckende Platte (46) in Form einer ungelochten Trennplatte vorgesehen ist.
  7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Platten-Sandwichstruktur durch Aufeinanderfalten eines mit den benötigten Strömungskanal-Durchbrüchen versehenen Endlosbandbleches (150) und anschließendes fluiddichtes Verbinden der aufeinandergefalteten und zusammengepreßten Blechplattenabschnitte (152) gefertigt ist.
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