Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauschapparate, die für den Wärmeaustausch
zwischen verschiedenen Kühlmitteln sorgen, die in keinen Kontakt miteinander kommen,
und betrifft insbesondere einen Plattenwärmeaustauscher.
[0002] Das effektivste Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist dessen
Einsatz in Klimaanlagen als Kühler für die Heizung von Automobilen, Traktoren, Transportfahrzeugen,
ortsfesten Anlagen und anderen Einrichtungen, die ein Flüssigkeitskühlsystem für den
Motor aufweisen.
[0003] Darüber hinaus kann der genannte Plattenwärmeaustauscher für die Raumheizung angewendet
werden.
Zugrundeliegender Stand der Technik
[0004] Es ist ein Plattenwärmeaustauscher (US, A, 4361184) bekannt, der eine Vielzahl von
parallel zueinander angeordneten Platten enthält, deren jede durch zwei Riffelbleche
gebildet ist. Auf den Innenflächen weisen die Bleche Erhebungen auf, die bei der Verbindung
der Bleche Kanäle bilden. An einem Ende jedes Blechs ist ein Wendebereich vorhanden,
weshalb die Zu- und Abführung des Kühlmittels in der genannten Konstruktion des Wärmeaustauschers
nur von einer Seite über anliegende Sammler erfolgen können.
[0005] Um einen Sammler zu bilden, weist jedes Blech am anderen Ende einen auf seiner Breite
abgebogenen Abschnitt auf. Die abgebogenen Abschnitte der zwei benachbarten Platten
sind miteinander unter einem Winkel zueinander und zur Ebene der Platten verbunden,
wodurch ein gewellter Boden eines Ein- und eines Austrittssammlers gebildet wird,
die aneinander anliegen und auf diesem befestigt und durch eine Trennwand voneinander
getrennt sind.
[0006] Das Kühlmittel kommt im genannten Wärmeaustauscher aus dem Eintrittssammler, passiert
eine Gruppe von Längskanälen, einen Wendebereich am entgegengesetzten Ende der Platte
und strömt in eine anliegende Gruppe von Kanälen ein, um in den Austrittssammler zu
kommen.
[0007] Ein zweites Kühlmittel läuft längs oder quer zu den Platten des Wärmeaustauschers
um. Die benachbarte Lage des Ein- und des Austrittssammlers bewirkt Wärmeverluste
auf Grund der Wärmeübertragung von einem Sammler zum anderen über die sie scheidende
Trennwand.
[0008] Außerdem entstehen Wärmeverluste zwischen den anliegenden Längskanälen, in denen
das Kühlmittel umläuft.
[0009] All das verschlechtert die Übertragungsfähigkeit des Plattenwärmeaustauschers.
[0010] Im bekannten Wärmeaustauscher sind die Bleche auf den benachbarten Platten derart
geriffelt, daß deren Kanäle im Querschnitt symmetrisch oder asymmetrisch zueinander
sind, wodurch auch im Querschnitt verschiedene Kanäle zum Durchfluß des zweiten Kühlmittels
gebildet werden.
[0011] Die Riffelung vergrößert um einiges die Wärmeübertragungsfläche der Platten, macht
es jedoch gleich= zeitig unmöglich, andere Wärmeaustauschelemente zwischen ihnen anzuordnen.
[0012] Das letztere verringert auch die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmeaustauschers.
Darüber hinaus läßt die bekannte Konstruktion die Zuführung des Kühlmittels zu den
Hohlräumen der Platten nur in der Längsrichtung bezüglich des Bodens der Sammler zu,
was zu den genannten Wärmeverlusten wegen eines ständigen Kontaktes zwischen der Ein-und
der Aualaufströmung des Kühlmittels führt.
[0013] Um die Wärmeverluste in der genannten Konstruktion auszugleichen, ist es notwendig,
die Wärmeübertragungafläche zu vergrößern, was mit einer Vergrößerung der Abmessungen
des Wärmeaustauschers zusammenhängt.
Offenbarung der Erfindung
[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen -wärmekompakten Plattenaustauscher
zu schaffen, in dem die Platten und die Sammler eine Konstruktion aufweisen, die es
gestattet, seine Übertragungsfähigkeit, darunter auch durch Verringerung der Wärmeverluste
zwischen den Kanälen in jeder Platte, zu vergrößern.
[0015] Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in dem Plattenwärmeaustauscher, der eine
Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Platten enthält, deren jede durch zwei
Metallbleche gebildet ist, die auf den einander zugewandten Innenflächen Erhebungen
aufweisen, die bei der Verbindung der Bleche Kanäle bilden, die mit einem Eintrittssammler
für die Zufuhrung eines Kühlmittels zu ihnen und mit einem Austrittssammler für die
A bführung des Kühlmittels von ihnen kommunizieren, gemä3 der Erfindung die Platten
mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, um zusätzliche Wärmesustauschelemente
zwischen ihnen anzuordnen, während die sie bildenden Metallbleche eine im wesen= tlichen
ebene rechteckförmige Außenfläche aufweisen, wobei die Bleche der benachbarten Platten
miteinander gemeinsame flache Überbrückungen aufweisen, die in der gleichen Ebene
senkrecht zur Oberfläche der genannten Bleche an den Enden der Längsseiten angeordnet
sind und aneinander anliegen, wodurch der Boden des Ein- bzw. Austrittssammlers gebildet
wird, während in der Ebene der Böden Ein- bzw. Austrittsöffnungen der als Labyrinth
ausgeführten Kanäle zur Verfügung stehen.
[0016] Diese Ausführung des Plattenwärmeaustauschers gestattet es, eine kompakte Konstruktion
mit einem verbesserten Temperaturverhalten zu schaffen, da zwischen den Platten ein
Spalt zur Anordnung der zusätzlichen Wärmeaustauschelemente zwischen ihnen, beispielsweise
von Einsätzen mit einer vergrößerten Oberfläche, um die Wärmeübertragungsfläche viesentlich
zu vergrößern, verfügbar ist. In der erfindungsgemäßen Konstruktion weisen die die
Platten bildenden Bleche eine im wesentlichen ebene rechteckförmige Außenfläche auf,
was es gestattet, die Anordnung von Erhebungen auf deren Innenfläche zu variieren,
die bei der Verbindung der Bleche Kanäle bilden, die dazu beitragen, die Wärmeverluste
zwischen ihnen minimal zu halten. Die Anordnung der die Böden der Sammler bildenden
Überbrückungen an den Enden der Längsseiten der rechteckförmigen Flächen der Bleche
verhindert den Wärmeaustausch zwischen den Sammlern, verringert die Wärmeverluste
in den Kanälen der Platten, weil der Ein- und der Austrittssammler für das Kühlmittel
räumlich voneinander entfernt sind. Hierbei liegen die Sammler im erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscher in Flußrichtung eines zweiten Kühlmittels, nämlich der Luft, was
es auch gestattet, eine zusätzliche Wärmeabfuhr von der Oberfläche der Sammler zu
verwirklichen.
[0017] Die flache und zur Oberfläche der Bleche senkrechte Ausführung der Überbrückungen
verkleinert ihrerseits die Abmessungen des Wärmeaustauschers und verbessert die Fertigungsgerechtheit
des Zusammenbaus der durch diese Überbrückungen gebildeten Böden mit den Sammelkästen
dadurch, da3 deren Verbindung auf einem rechteckförmigen Umfang der Bodenfläche ausgeführt
ist.
[0018] Die Verminderung der Konstruktionsparameter (Abmessungen, Masse) zieht eine Verbesserung
der Energiekennwerte des Transportfahrzeuges nach sich.
[0019] äußerst zweckmäßig ist, daß an den Enden der Längsseite der Bleche aus diesen hervvrtretende
Abschnitte vorhanden sind, die miteinander durch die genannten flachen Überbrückungen
paarweise verbunden sind.
[0020] Diese Ausführung der Bleche gestattet es, die Sammler über den Oberflächen der Platten
mit Einsätzen mit einem Abstand zu diesen Platten zu montieren, was Totwassergebiete
unter den Sammlern ausschließt.
[0021] Es ist sinnvoll, daß zwischen den Platten des Wärmeaustauschers zusätzliche Wärmeaustauschelemente
bzw. Platten mit einem eigenen Ein- bzw. Austrittssammler angeordnet sind.
[0022] Diese Ausführung des Wärmeaustauschers vergrößert seine Wärmeübertragungsfähigkeit
sowohl durch Vergrößerung der Oberfläche im ganzen als auch dadurch, daß das Kühlmittel
in den Wärmeaustauscher im Gegenstrom eingelassen werden kann.
[0023] Am zweckmäßigsten ist, daß die zusätzlichen Wärmeaustauschelemente bzw. Platten in
Form einer Schlange aus einem flachen Mehrkanalrobr ausgeführt sind, wobei die Windungen
der Schlange zwischen den Platten angeordnet sind. Ein derartiger Wärmeaustauscher
ist zweckmäßigerweise in einem Klimagerät eines Transportfahrzeuges einzusetzen, das
in den Betriebsarten der Luftheizung und -kühlung arbeitet, denn es werden die Kimpaktheit
seiner Kenstruktion gewährleistet, seine Wärmeübertragungsfähigkeit durch Vergrößerung
der Oberfläche auf Grund dessen vergrößert, daß die Platten und die Oberfläche der
Rohrwindungen als Abstandshalter gegeneinander auftreten. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße
Wärmeaustauscher weniger energieintensiv als bei Klimageräten, in denen der Verdampfer
und der Erhitzer in Förderrichtung des Luftstroms hintereinander angeordnet sind,
und für deren Durchblasen bedarf es eines Lüfters mit einem Hochleistungsmotor.
[0024] In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Platten mit den Windungen
der Schlange durch Einsätze mit vergrößerter Oberfläche verbunden, die in Form gewellter
Blechstreifen hergestellt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0025] Die anderen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden
detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen
verständlich sein. Es zeigt:
Fig. 1 die Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauschers, teilweise
aufgebrochen;
Fig. 2 den Plattenwärmeaustauscher (in Draufsicht);
Fig. 3 den III-III-Schnitt in Fig. 2;
Fig. 4 den IV-IV-Schnitt in Fig. 2;
Fig. 5 Plattenbleche mit Überbrückungen;
Fig. 6 einen Wärmeaustauscher, bei dem zwischen den Platten die Platten eines anderen
Wärmeaustauschers angeordnet sind;
Fig. 7 den VII-VII-Schnitt in Fig. 6;
Fig. 8 eine Ausfürungsform der Konstruktion des Wärmeaustauschers.
Beste Ausführungsform der Erfindung
[0026] Der erfidungsgemäβe Plattenwärmeaustauscher enthält eine Vielzahl zueinander parallel
angeordneter Platten 1 (Fig. 1, 2, 4, 6, 7, 8), deren jede durch zwei miteinander
verbundene Metallbleche 2 (Fig. 3, 5) gebildet ist. Die Bleche 2 sind als längliche
Rechtecke ausgebildet und reisen eine im wesentlichen eben Auβenfläche auf. Auf den
einander zugewandten Innenflächen weisen die Bleche 2 Erhebungen 3 auf, die miteinander
unter Ausbildung von Labyrinthkanälen 4 verbunden sind.
[0027] Die Enden der Längsseiten der Bleche 2 sind miteinander durch Über brükungen 5 (Fig.
1, 3 bis 8) verbunden, die senkrecht zur Ebene der Bleche 2 und in einer gleichen
Ebene liegen. Indem die überbrückungen 5 aneinander anliegen, bilden sie die Böden
eines Eintritts- und eines Austrittssammlers 6 bzw. 7, die auf diesen (Fig. 1, 2,
3, 6, 8) befestigt sind.
[0028] Die Längsseiten der Bleche 2 weisen hervortretende Abschnitte 8 (Fig. 3, 5) zu deren
Verbindung durch die genannten Überbrückungen 5 auf. Die Ebene der Böden der Sammler
6, 7 fällt mit der Ebene von Ein-.und Austrittsöffnungen 9 bzw. 10 der Kanäle 4 (Fig.
1, 6, 8) zusammen.
[0029] In den Spalten zwischen den Platten 1 sind Einsätze 11 (Fig. 1, 2, 4, 6, 7, 8) mit
einer vergrößerten Oberfläche, beispielsweise gewellte Blechstreifen, angeordnet.
Die auf den Sammlern 6, 7 angeordneten Stutzen 12, 13 dienen der Zu- bzw. Abführung
des Kühlmittels aus dem Kühlsystem des Motors.
[0030] Der erfindungsgemäße Plattenwärmeaustauscher wird wie folgt hergestellt. Durch Biegestanzen
wird das Profil der durch die Überbrückungen 5 paarweise verbundenen Bleche 2 geformt,
die zu einem Paket geschichtet werden, wodurch eine Vielzahl von zueinander parallel
angeordneten Platten 1 gebildet wird. Zwischen den Platten 1 werden Einsätze 11 mit
einer vergröβerten Öberfläche angeordnet. Auf den die Böden des Eintritts- und des
Austrittssammlers 6 bzw. 7 bildenden Überbrückungen 5 werden jeweilige Sammelkästen
angeordnet. Nach dem Zusammenbau wird der Plattenwärmeaustauscher in eine Kassette
(in Fig. nicht gezeigt) gebracht und in einem Ofen gelötet.
[0031] Es sind auch andere Verfahren zur Verbindung der Konstruktionselemente bekannt: die
Sammelkästen können beispielsweise mit den Böden mechanisch verbunden und die Einsätze
11 mit vergrößerter Oberfläche an den Oberflächen der Platten 1 angeklebt werden.
[0032] Es sei auf die Arbeitsweise des Plattenwärmeaustauschers am Beispiel seines Einsatzes
als Kühler zur Beheizung eines Transportfahrzeuges mit einem Flüssigkeitskühlsystem
für den Motor eingegangen.
[0033] Über den Stutzen 12 strömt in den Eintrittssammler 6 ein Kühlmittel bzw. eine den
Motor kühlende Flüssigkeit ein. Indem sich die Flüssigkeit auf die Eintrittsöffnungen
9 verteilt, strömt sie in die Labyrinthkanäle 4 ein und über die Austrittsöffnungen
10 in den Austrittssammler 7 und dann über den Stutzen 13 in das Kühlsystem des Motors
aus. Hierbei wird die durch die in Form der gewellten Blechstreifen ausgeführten und
im Spalt zwischen den Platten 1 befindlichen Einsätze 11 geblasene Luft erhitzt und
erhöht die Temperatur in der Kabine (im Salon) des Transportfahrzeuges.
[0034] Der Eintritts- und der Austrittssammler 6 bzw. 7 liegen im Strom eines zweiten Kühlmittels,
nämlich der Luft, und da deren Böden mit den Oberflächen der Platten 1 und der Einsätze
11 einen Spalt bilden, wird das Vorhandensein von Totzonen unter den Sammlern 6, 7
im erfindungsgemäßen Plattenvwärmeaustauscher ausgeschlossen, was auch zu komfortablen
Bedingungen für den Fahrer (die Fahrgäste) beiträgt.
[0035] In Fig. 6, 7 ist die Konstruktion eines Plattenwärmeaustauschers dargestellt, zwischen
dessen Parallelplatten Wärmeaustauschelementen bzw. Platten 14 eines anderen Wärmeaustauschers
untergebracht sind, die über deren Eintritts- und Austrittssammler 15 bzw. 16 beispielsweise
mit dem Schmiersystem des Motors kommunizieren und mit den Platten 1 des ersten Wärmeaustauschers
mit Hilfe der Einsätze 11 mit vergrößerter Oberfläche verbunden sind.
[0036] Die genannte Konstruktion des Wärmeaustauschers weist etwas vergröβerte Abmessungen
gegenüber der oben beschriebenen wegen der Anordnung der Sammler 6, 7 und 15, 16 auf
entgegengesetzten Seiten des Kühlerblocks des Wärmeaustauschers auf. Ihre Wärmeübertragungsfläche
ist aber erheblich vergrößert, was die Wärmeabfuhr ebenso wie die gebotene Möglichkeit,
das Kühlmittel im Gegenstrom umlaufen zu lassen, steigert.
[0037] Die genannte Konstruktion des Wärmeaustauschers wird durch Schichten der Bleche 2
zu Paketen unter Ausbildung einer Vielzahl von zueinander parallel angeordneten Platten
1 zusammengebaut. Zwischen den Platten 1 werden Bleche angeordnet, die die Platten
14 bilden. Dann werden zwischen den Platten 1, 14 die Einsätze 11 mit vergrößerter
Oberfläche angeordnet. Auf den Boden werden Sammelkästen zur Bildung der Sammler 6,
7, 15, 16 befestigt, und die Montagegruppe wird in eine Kassette gebracht. Für die
hermetische Abdichtung der Konstruktion wird durch Löten in einem Ofen (in Fig. nicht
gezeigt) gesorgt.
[0038] Der vorgeschlagene Wärmeaustauscher ist für drei Medien vorgesehen, beispielsweise
ist der erste Wärmeaustauscher mit dem Kühlsystem des Motors, der zweite mit dem Schmiersystem
des letzteren verbunden, die für die Heizung der Luft - des dritten Mediums in der
Kabine (im Salon) des Transportfahrzeuges sorgen. Der Wärmeaustauscher funktioniert
nach dem oben beschriebenen Schema. Das Kühlmittel läuft aber in jeder der Gruppen
der Platten 1, 14 im Gegenstrom um.
[0039] In Fig. 8 ist eine Ausführungsform der Konstruktion des erfindungsgemäβen Wärmeaustauschers
dargestellt, zwischen dessen Parallelplatten 1 ein flaches zu einer Schlange gebogenes
Mehrkanalrohr 17 angeordnet ist. Das Rohr 17 weist einen Eintrittssammler 18 und einen
Austrittssammler (in Fig. nicht gezeigt), die mit dem Verdichter eines Klimageräts
(in Fig. nicht angedeutet) verbunden sind, auf. Das Rohr 17 ist mit den Platten 1
mittels der Einsätze 11 mit vergrößerter Oberfläche verbunden.
[0040] Es ist eine Ausführungsform der Konstruktion (in Fig. nicht gezeigt) möglich, wo
das Rohr 17 zu U-förmigen Windungen gebogen ist, deren Eintritts- und Austrittssammler
parallelgeschaltet sind. Auf solche Weise sind die Windungen des Rohres 17 des Verdampfers
des Klimageräts zwischen die Platten 1 des Wärmeaustauschers eingebaut. Die genannte
Konstruktion wird wie folgt zusammengebaut.
[0041] Die genannten Bleche 2 werden zu einem Paket geschichtet, wodurch eine Vielzahl von
zueinander parallel angeordneten Platten 1 gebildet wird. Zwischen den Platten 1 werden
die Windungen des flachen Mehrkanalrohers 17 angeordnet, während im Spalt zwischen
ihnen die Einsätze 11 mit vergrößerter Oberfläche untergebracht werden. Dann wird
die Montagegruppe in eine Kassette gebracht und in einem Ofen gelötet.
[0042] . Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann in zwei Betriebsarten: Luftheizung in
kalten Jahreszeiten und LuftKühlung in heißen Jahreszeiten funktionieren. Die Arbeit
des Wärmeaustauscher in der Betriebsart der Luftkühlung ist ähnlich der für den in
Fig. 6 dargestellten Wärmeaustauscher vorstehend beschriebenen Arbeit.
[0043] Bei der Arbeit des Wärmeaustauschers in der Betriebsart der Luftkühlung läuft in
der Schlange des Rohres 17 ein Wärmeträger bzw. Kühlmittel um, das dem Eintrittssammler
13 aus dem Verdichter des Klimageräts zugeführt und in diesen über den Austrittssammler
zurückgeführt wird.
[0044] Im Rohr 17 erfolgt eine Phasenumwandlung des Kühlmittels aus einer Flüssigkeit in
einen Dampf, was von einer Wärmeentnahme aus der durch die Einsätze 11 geblasenen
Luft begleitet wird. Infolgedessen wird die Luft gekühlt und strömt in die Kabine
(in den Salon) ein, wodurch für den Fahrer (die' Fahrgäste) komfortable Bedingungen
geschaffen werden.
[0045] In diesem Fall wird auch dem Verdampfer mehr Wärme auf Grund dessen entzogen, daβ
die Platten 1 des Wärmeaustauschers seine Wärmeübertrangungsfläche vergrößern.
[0046] Die Erfindung ist auf die beschriebenen Ausführungsformen der Konstruktion des Wärmeaustauschers
nicht beschränkt, es sind auch andere, ohne daβ vom Umfang der Be-Shreibung abgewichen
wird, möglich.
Industrielle Anwendbarkeit
[0047] Die vorliegende Erfindung kann in einer Klimaanlage als Kühler für die Heizung verschiedener
Transportfahrzeuge mit einem Flüssigkeitskühlsystem für den Motor sowie in ortsfesten
Anlagen angewendet werden.
1. Plattenwärmeaustauscher, der eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten
Platten (1) enthält, deren jede durch zwei Metallbleche (2) gebildet ist, die auf
den einander zugewandten Innenflächen Erhebungen (3) aufweisen, die bei der Verbindung
der Bleche (2) Kanäle (4) bilden, die mit einem Eintrittssammler (6) für die Zuführung
eines Kühlmittels zu ihnen und mit einem Austrittssammler (7) für die Abführung des
Kühlmittels von ihnen kommunizieren,
dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) zur Anordnung zusätzlicher Wärmeaustauschelemente
zwischen ihnen mit einem Abstand zueinander angeordnet sind,
und daß die sie bildenden Metallbleche (2) eine im wesentlichen ebene rechteckförmige
Außenfläche aufweisen, wobei die Bleche (2) benachbarter Platten (1) zwischen sich
gemeinsame flache Überbrückungen (5) aufweisen, die in der gleichen Ebene senkrecht
zur Oberfläche der Bleche (2) an den Enden ihrer Längsseiten angeordnet sind und aneinander
anliegen, wodurch der Boden des Ein- bzw. des Austrittssammlers (6 bzw. 7) gebildet
wird,
und daß in der Ebene der Böden die Ein- und Austrittsöffnungen der als Labyrinth ausgeführten
Kanäle (4) liegen.
2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden
der Längsseiten der Bleche (2) aus diesen hervortretende Abschnitte (8) vorhanden
sind, die durch die Überbrückungen (5) paarweise verbunden sind.
3. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
den Platten (1) zusätzliche Wärmeaustauschelemente bzw. Platten (14) mit einem eigenen
Ein- bzw. Austrittssammler (15 bzw. 16) angeordnet sind.
4. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
zusätzlichen Wärmeaustauschelemente bzw. Platten (14) in Form einer Schlange aus einem
flachen Mehrkanalrohr (17) ausgeführt sind, wobei die Windungen der Schlange zwischen
den Platten (14) angeordnet sind.
5. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten
(1, 14, 17) miteinander durch Einsätze (11) mit einer vergrößerten Oberfläche verbunden
sind, die in Form gewellter Blechstreifen ausgeführt sind.