Spiralwärmeaustauscher

Abstract

 Der Spiralwärmeaustauscher (1) besteht aus mehreren medienführenden Spiralelementen (3). Jedes Spiralelement (3) ist durch ein teilweise längsgeschlitztes Zentralrohr (4) mit einer stirnseitig beaufschlagbaren Eintrittskammer und einer Austrittskammer mit stirnseitigem Medienaustritt sowie durch ein im Bereich des Längsschlitzes quer an das Zentralrohr (4) angesetztes, an seinem dem Zentralrohr (4) abgewandten, einen Überströmbereich definierenden Endabschnitt (9) keilförmig gestaltetes und hier dicht verschlossenes, spiralförmig um das Zentralrohr (4) gekrümmtes Mehrkanalprofil (5) gebildet. Das Mehrkanalprofil (5) kann aus einem extrudierten und auf Länge abgeteilten Aluminiumprofil gebildet sein. Denkbar ist aber auch eine hochtemperaturbeständige Stahlblech-Schweißkonstruktion.

Beschreibung

[0001] Spiralwärmeaustauscher sind technische Einrichtungen, die bei relativ kleinem Bauvolumen einen hohen effektiven Wärmeaustausch zwischen gleichen oder unterschiedlichen Medien gestatten.

[0002] Der überwiegenden Mehrzahl der bekannten Spiralwärmeaustauscher haftet der Nachteil an (z.B. dem Spiralwärmeaustauscher der EP 0 380 419 B1), dass sie mit verhältnismäßig aufwendigen Verfahren bei komplizierten Arbeitsabläufen hergestellt und mehrdimensional geschweißt bzw. gelötet werden müssen.

[0003] Im Umfang der EP 0 529 819 B1 ist es aber auch schon bekannt, extrudierte Mehrkanalprofile durch spiralförmiges Wickeln zu einem Spiralwärmeaustauscher auszubilden. Bei diesem Vorschlag liegen die Medienanschlüsse zu den gekrümmten Mehrkanalprofilen einmal im Innern und einmal am Außenumfang der Spiralwärmeaustauscher. Diese Bauart erlaubt keine kompakte Gestaltung eines Spiralwärmeaustauschers und ist somit in der Anwendungsbreite beschränkt. Außerdem wird durch die außen liegenden Medienanschlüsse die Rotationssymmetrie und damit die Druckstabilität beeinträchtigt.

[0004] Eine weitere Eigenart der bekannten Spiralwärmeaustauscher sind ihre relativ hohen Druckabfälle. Sollen diese verringert werden, wird jedoch die Kompaktheit eingeschränkt. Auch ist eine Ausbildung dieser Spiralwärmeaustauscher als sogenannte Sicherheits-Spiralwärmeaustauscher nur mit einem außergewöhnlich hohen Aufwand möglich.

[0005] Darüberhinaus ist es in den bekannten Fällen schwierig, mehrere unterschiedliche Medienströme in einen wärmetauschenden Kontakt bringen zu können.

[0006] Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Spiralwärmeaustauscher zu schaffen, der unter Vermeidung der vorstehend erwähnten Nachteile einfach aufgebaut ist und, insbesondere in der Großserienfertigung zwecks Integration in Automobile mit Brennstoffzellen, rationell und kostengünstig gefertigt werden kann.

[0007] Eine Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

[0008] Ein derartiger Spiralwärmeaustauscher umfasst mindestens zwei Spiralelemente, in denen Medien unterschiedlicher Temperatur strömen. Es können verschiedene Medien oder auch identische Medien sein. Jedes Spiralelement setzt sich aus einem teilweise längs geschlitzten Zentralrohr mit wenigstens einem stirnseitigen Medienanschluss sowie durch ein im Bereich des Längsschlitzes quer an das Zentralrohr angesetztes, spiralförmig um das Zentralrohr gekrümmtes Mehrkanalprofil zusammen, dessen Breite einem Mehrfachen der Höhe entspricht. Der dem Zentralrohr abgewandte Endabschnitt definiert einen Überströmbereich für ein Medium. Die jeweils im Wärmeaustausch stehenden Medien treten über ein Zentralrohr in ein Mehrkanalprofil ein und strömen in diesem bis zu dem Überströmbereich. Dieser kann mit dem Überströmbereich eines weiteren Spiralelements verbunden sein, das axial an das erste Spiralelement angesetzt ist. Hier strömt dann das Medium wieder von dem Überströmbereich zum Zentralrohr und aus diesem über einen stirnseitigen Medienanschluss ab. Ein Spiralelement kann aber auch durch eine entsprechende innere Gestaltung einen vom Zentralrohr zu einem Überströmbereich und von diesem Überströmbereich wieder zurück zum Zentralrohr gerichteten kompletten Strömungsweg für ein Medium besitzen.

[0009] Unabhängig von der Gestaltung gewährleistet ein derart ausgebildeter Spiralwärmeaustauscher einen einwandfreien Wärmeaustausch zwischen den Medien in den sich innig umschließenden Spiralelementen. Die Zu- und Abführung der Medien erfolgt nur über die im Kernbereich des Spiralwärmeaustauschers liegenden Zentralrohre. Aufgrund der speziellen Gestaltung jedes Spiralelements können mehrere Spiralelemente eng ineinander geschachtelt sein und je nach Einsatzfall auch mehr als zwei Medien führen. Der Spiralwärmeaustauscher ist also äußerst kompakt gestaltet und kann bei hoher Austauschleistung vergleichsweise kleinvolumig konfiguriert werden. Dies macht den Einsatz in Automobilen mit Brennstoffzellen besonders vorteilhaft.

[0010] Die Erfindung lässt es zu, dass nur die Spiralelemente medienführend sind oder zusätzlich auch die Bereiche zwischen zwei ineinander geschachtelten Spiralelementen mit mindestens einem Medium beaufschlagt werden. Die Bereiche zwischen den Spiralelementen sind dann über einen gegebenenfalls mehrkanaligen zentralen Zuführungsstutzen und einen ebenfalls unter Umständen mehrkanaligen zentralen Abführungsstutzen mit Zu- und Ableitungen verbunden.

[0011] Des Weiteren gestattet es die Erfindung, dass die radiale Breite der Spiralelemente unterschiedlich ausgelegt werden kann, so dass auch die Durchsatzmengen variieren können.

[0012] Durch die Aufteilung eines einzelnen Medienstroms auf eine größere Anzahl von Spiralelementen mit dann allerdings verringerter radialer Breite pro Medienstrom kann ferner eine Reduzierung des Druckabfalls bei gleichzeitiger Verbesserung der thermodynamischen Effizienz bewirkt werden.

[0013] Da die Mehrkanalprofile seitlich geschlossen sind, brauchen stirnseitig des Spiralwärmeaustauschers keine komplizierten, insbesondere spiralförmigen, Schweißnähte gelegt zu werden. Die Anbindungen der Mehrkanalprofile an die Zentralrohre werden lediglich über Längsnähte, insbesondere durch Schweißen, sichergestellt. Aufgrund der Mehrkanaligkeit sind die Strömungswege kurz. Hieraus resultieren geringe Temperaturspannungen.

[0014] Unabhängig davon, welche Bauart zur Anwendung gelangt, kann es gemäß der Erfindung vorteilhaft sein, zwei oder mehrere Spiralwärmeaustauscher hintereinander zu schalten. Auf diese Weise kann eine Leistungsanpassung während des Betriebs vorgenommen werden. So kann die Gesamteinrichtung zum Beispiel beim Anfahren mit einer geringeren Leistung und kleineren Austauscherflächen betrieben werden. Erst nach Erreichen der Volllastsituation werden alle Austauscherflächen zugeschaltet. Je nach der momentanen Betriebssituation kann die Gesamteinrichtung dann mit dem jeweils optimalen Wirkungsgrad betrieben werden. Auch eine Wiederabschaltung eines Spiralwärmeaustauschers oder mehrerer Spiralwärmeaustauscher während eines Betriebs ist durchaus möglich.

[0015] Die radial außen liegenden, Überströmbereiche definierenden Endabschnitte der Spiralelemente können durch Verformung der Mehrkanalprofile gebildet sein. Denkbar sind aber auch Rohre verschienenen Querschnitts, welche stirnseitig an die Mehrkanalprofile angesetzt sind. Die verschiedenen Querschnitte können durch Verformungen von runden Rohren hergestellt werden.

[0016] Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird in den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gesehen.

[0017] Diese Bauart ist prinzipiell wie die Bauart der Lösung nach Patentanspruch 1 aufgebaut, lediglich mit dem Unterschied, dass nunmehr die Zu- und Abführung der Medien über am radial außen liegenden Umfang befindliche Außenrohre erfolgt und die Überströmbereiche radial innen liegen.

[0018] Auch hierbei kann jedes Medium in einem einzigen Spiralelement von außen nach innen und dann wieder von innen nach außen strömen oder es können zwei Spiralelemente derart axial aneinandergesetzt sein, dass in dem einen Spiralelement das Medium von außen nach innen, dann über den Überströmbereich in das benachbarte Spiralelement fließt und von hier wieder von innen nach außen strömt.

[0019] Im Rahmen dieser Bauart ist es ferner denkbar, dass gemäß Patentanspruch 3 die ein Medium zuführenden Anschlüsse der Außenrohre einerseits und die ein Medium abführenden Anschlüsse der Außenrohre andererseits jeweils über Ringkanäle medienleitend miteinander verbunden sind. Die axiale Baulänge wird dadurch reduziert.

[0020] Die Bauart gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 wird unter praxisnahen Gesichtspunkten insbesondere dann angewendet, wenn stirnseitig eines Spiralwärmeaustauschers in radialer Richtung ein nur begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht.

[0021] Eine dritte Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird in den Merkmalen des Patentanspruchs 4 erblickt.

[0022] Entsprechend dieser Ausführungsform wird ein Teil der Spiralelemente vom Zentrum her und ein anderer Teil vom radial außen liegenden Bereich her beaufschlagt. In diesem Fall werden zweckmäßig am äußeren Umfang wieder Ringkanäle vorgesehen, die mit Außenrohren verbunden sind, während die radial innen liegenden Medienanschlüsse nunmehr einen gemeinsamen, aber axial schmaler gehaltenen Zentralanschluss erhalten können. Wenn bei dieser Ausführungsform nur ein Teil der Spiralelemente von innen her beaufschlagt wird, kann der Druckverlust beim Umlenken der Medienströme an den Endabschnitten der Spiralelemente deutlich gesenkt werden.

[0023] Falls erforderlich, können die Spiralelemente gemäß Patentanspruch 5 von einem zylinderförmigen Gehäuse ummantelt sein. Der Spalt zwischen den radial äußeren Oberflächen der Spiralelemente und der Innenwand des Gehäuses ist mit einem Dichtungsmaterial verfüllt. Je nach Einsatzfall des Spiralwärmeaustauschers kann es sich hierbei um ein hoch temperaturbeständiges Dichtungsmaterial handeln.

[0024] Nach Patentanspruch 6 kann der Spiralwärmeaustauscher mindestens hinsichtlich seiner Spiralelemente um seine Längsachse drehbar sein. Dies ist z.B. dann zweckmäßig, wenn der Spiralwärmeaustauscher als Verdampfer, beispielsweise von Benzin, im Rahmen einer sogenannten Brennstoffzelle eingesetzt werden soll. Zur Beschleunigung des Verdampfungseffekts ist es dann sinnvoll, den Spiralwärmeaustauscher in Rotation zu versetzen. Aufgrund der Rotation erfährt das zu verdampfende Medium eine Beschleunigung in radialer Richtung, verbunden mit einer Druckzunahme, was wiederum gleichbedeutend ist mit einer schnelleren Verdampfung.

[0025] Mit Zielrichtung auf den Verwendungszweck Brennstoffzelle kann auf diese Weise Benzin in wesentlich kürzerer Zeit als bei einem stationären Betrieb eines Spiralwärmeaustauschers verdampfen und damit der Verdampfungsprozess erheblich beschleunigt werden.

[0026] Wenn Benzin verdampft werden soll, ist es vorteilhaft, wenn als Austauschermedium Heißdampf zum Einsatz gelangt.

[0027] Wenn der Spiralwärmeaustauscher gemäß der Erfindung als Verdichter eingesetzt werden soll, insbesondere dann, wenn Luft verdichtet werden soll, so wird durch die Rotation des gesamten Spiralwärmeaustauschers eine Beschleunigung der Luft in radialer Richtung erreicht. Hiermit ist eine Zunahme des Drucks verbunden, was zu einer schnelleren Verdichtung der Luft führt.

[0028] Als Austauschermedium gelangt in diesem Fall vorzugsweise kaltes Wasser zur Anwendung.

[0029] Wie vorstehend dargelegt, kann der erfindungsgemäße Spiralwärmeaustauscher stationär, d.h. im Stillstand als reiner Wärmeaustauscher betrieben werden. Denkbar ist es aber auch im Hinblick auf eine z.B. schnellere und intensivere Verdampfung einerseits bzw. Verdichtung andererseits einen rotatorischen Betrieb durchzuführen.

[0030] Bei einer Verwendung des Spiralwärmeaustauschers als Verdichter ist es noch von wesentlichem Interesse, dass die Luft dann in den Bereichen zwischen mindestens zwei Spiralelementen geführt wird. Am Ende dieser Strömungswege sind diese hinsichtlich mindestens einer Spiralwand geschlossen, wobei dann in den Spiralelementen ein Kühlmittel strömen kann.

[0031] Auch ist es erfindungsgemäß möglich, einen Verdichter mit einem als Entspanner (Turbine) ausgelegten Spiralwärmeaustauscher zu koppeln. In dem Verdichter wird insbesondere Luft auf ihren Strömungsweg von den radial inneren Bereichen zu den radial außen liegenden Bereichen verdichtet. Von den Überströmbereichen wird dann die verdichtete Luft dem axial benachbarten Spiralwärmeaustauscher von außen radial zugeführt und legt dann dort wieder in den Spiralelementen von radial außen nach radial innen einen Strömungsweg zurück. Gleichzeitig strömt im Falle einer Turbine ein Kühlmittel in den Spiralelementen, so dass auf diese Art und Weise ein Turbolader geschaffen wird.

[0032] Eine weitere Betriebsweise des Spiralwärmeaustauschers kann darin bestehen, dass ein Wärmeaustausch zwischen zwei Medien stattfindet und gleichzeitig zumindest eines dieser Medien gefördert werden soll. Unter dieser Prämisse sind die Merkmale des Patentanspruchs 7 von besonderem Vorteil. Demzufolge werden die radial außen liegenden Endabschnitte der an Zentralrohre angeschlossenen und insbesondere in einem Gehäuse drehbaren Spiralelemente zur Innenwand des Gehäuses hin flügelartig abgebogen. Es entstehen auf diese Weise quasi Leitflächen. Erfolgt dann eine Rotation der Spiralelemente, wird auf der einen Seite ein Wärmeaustausch bewirkt und auf der anderen Seite wenigstens eines der Medien durch die abgebogenen Leitflächen einer Pumpwirkung ausgesetzt und damit einem bestimmten Ziel zu gefördert.

[0033] Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 8 ist bei zwei radial benachbarten, axial gegeneinander verlagerbaren Spiralelementen eines mit Radialöffnungen versehen, die in ihrer Größe von dem anderen Spiralelement wenigstens mittelbar veränderbar sind. Wenn dann das andere Spiralelement noch mit Abstandshaltern und diese Abstandshalter mit Gleitfüßen ausgerüstet werden, die über die Radialöffnungen gleiten können, ist es durch eine axiale Relativverlagerung der beiden Spiralelemente möglicht, die Öffnungen zu vergrößern oder zu verkleinern. Auf diese Weise kann insbesondere bei der Kondensation eines Mediums eine vorteilhafte Betriebsweise erzielt werden.

[0034] Die axiale Verlagerbarkeit von mindestens zwei ineinander geschachtelten Spiralelementen kann darüber hinaus dazu genutzt werden, um ein zwischen den beiden Spiralelementen geführtes Medium entweder zu verdichten, wobei in den Spiralelementen ein Kühlfluid strömt oder es wird das zwischen den Spiralelementen geführte Fluid entspannt oder gepumpt, wobei dann in den Spiralelementen ein höher temperiertes Medium geführt wird.

[0035] Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 9 ist die Querkante des jetzt keilförmig ausgebildeten Endabschnitts eines Spiralelements auf der radial außen liegenden Flachseite des hinsichtlich des Zentralrohrs bzw. des Außenrohrs in Krümmungsrichtung benachbarten Spiralelements festgelegt, insbesondere angeschweißt. Diese Bauart kann unabhängig davon eingesetzt werden, ob der Spiralwärmeaustauscher in ein Gehäuse integriert ist oder nicht.

[0036] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gekennzeichnet. Danach weisen die Zentralrohre bzw. die Außenrohre der Spiralelemente jeweils eine Eintrittskammer und eine Austrittksammer auf, die durch in die Zentralrohre bzw. in die Außenrohre dicht eingesetzte Querwände voneinander getrennt sind. Diese Bauart ermöglicht innerhalb eines Spiralelements eine Führung des jeweiligen Mediums von radial innen bzw. radial außen nach radial außen bzw. radial innen und wieder zurück.

[0037] Fasst gemäß Patentanspruch 11 jede Querwand mit einem nasenartigen Vorsprung zwischen zwei die Flachseiten der Mehrkanalprofile der Spiralelemente auf Abstand haltende, Einzelkanäle bildende Distanzrippen, so wirkt insbesondere beim Festlegen, vorzugsweise durch Schweißen, eines Mehrkanalprofils an einem Zentralrohr oder an einem Außenrohr der Vorsprung als eine zentrierende Schweißlehre. Über die frei wählbare Höhe der Distanzrippen können auch Spiralelemente mit unterschiedlichem Volumendurchsatz bereitgestellt werden.

[0038] Die durch die keilförmigen Endabschnitte der Mehrkanalprofile definierten Überströmbereiche für die Medien können nach Patentanspruch 12 dadurch gebildet werden, dass sich die Distanzrippen von den Zentralrohren bzw. den Außenrohren aus bis zu den keilförmigen Endabschnitten erstrecken. In den keilförmigen Endabschnitten sind dann keine Distanzrippen mehr vorhanden.

[0039] Der Kontakt der Flachseiten zweier aneinander liegender Mehrkanalprofile wird mit Drahteinlagen entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 13 noch weiter verbessert. Diese Drahteinlagen werden beim Krümmen der Mehrkanalprofile mit eingelegt. Sie liegen jeweils im Bereich zwischen zwei Distanzrippen, d.h. also im Kanalbereich, so dass dann aufgrund der federnden Vorspannung zwischen zwei Spiralelementen Zonen geschaffen werden, die, insbesondere bei sogenannten Sicherheits-Spiralwärmeaustauschern, ihre Sicherheitsfunktion ausüben.

[0040] Eine andere Möglichkeit, zwischen zwei einander umfangsseitig benachbarten Spiralelementen Sicherheitszonen zu schaffen, die insbesondere bei Sicherheits-Spiralwärmeaustauschern vorteilhaft zur Geltung gelangen, wird in den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gesehen. Danach sind auf den radial außen liegenden Flachseiten der Mehrkanalprofile sich von den Zentralrohren bzw. den Außenrohren aus bis zu den keilförmigen Endabschnitten erstreckende, an beiden Enden sich zu den Flachseiten hin keilförmig verjüngende Umfangsrippen vorgesehen. Diese Umfangsrippen begrenzen folglich ebenfalls sich in Wickelrichtung erstreckende Kanäle und üben zugleich eine Distanzfunktion zum jeweils benachbarten Spiralelement aus. Gegebenenfalls können die Sicherheitszonen zwischen zwei Spiralelementen mit wenigstens einem neutralen Medium beaufschlagt sein. Die keilförmigen Endabschnitte erleichtern hierbei die Schaffung einer zylindrischen Außenkontur des Spiralwärmeaustauschers.

[0041] Die Sicherheitszonen zwischen zwei Spiralelementen können aber auch entsprechend Patentanspruch 15 ausgebildet sein. Danach sind randseitig der radial innen liegenden Flachseiten der Mehrkanalprofile sich von den Zentralrohren bzw. den Außenrohren aus bis an die Querkanten der Endabschnitte erstreckende, im Bereich der Endabschnitte sich keilförmig verjüngende Abschlussrippen vorgesehen, und in der Mittellängsebene der Mehrkanalprofile verlaufen Mittelrippen von den Zentralrohren bzw. den Außenrohren bis zu den Endabschnitten. Denkbar sind aber auch noch weitere Längsrippen zwischen den Abschlussrippen und den Mittelrippen. Alle Rippen wirken dann mit den Umfangsrippen der jeweils benachbarten Spiralelemente zusammen. Außerdem ist es bei Anwendung dieser Ausführungsform denkbar, dass zwei einander benachbarte Spiralelemente bezüglich der Längsachse des Spiralwärmeaustauschers zueinander versetzt sind, so dass die Umfangsrippen, Abschlussrippen, Mittelrippen und ggf. die Längsrippen eines Spiralelements zwischen den Rippen der jeweils benachbarten Spiralelemente an deren Flachseiten zur Anlage gelangen und die Spiralelemente so zu einem Spiralwärmeaustauscher miteinander verspannt werden.

[0042] Die Sicherheitszonen zwischen zwei Spiralelementen können aber auch entsprechend Patentanspruch 16 ausgebildet sein. Danach ist zwischen die Umfangsrippen des Mehrkanalprofils eines Spiralelements einerseits und die Abschlussrippen sowie die Mittelrippe des Mehrkanalprofils des radial benachbarten Spiralelements andererseits ein Einlageblech integriert, das sich von der gemeinsamen Längsachse der Spiralelemente bis etwa zu den sich keilförmig verjüngenden Längenabschnitten der Umfangsrippen erstreckt. Ein Einlageblech verhindert das Ineinanderschieben der diversen Rippen. Außerdem sollte bei dieser Ausführungsform noch eine Mittenschikane integriert werden. Aufgrund der Mittenschikane ist auch bezüglich der Sicherheitszonen zwischen zwei Spiralelementen gewährleistet, dass ein hier eingebrachtes Medium zunächst von innen nach außen und dann wieder von außen nach innen bzw. umgekehrt strömt. Die Zu- und Abführung des Mediums erfolgt je nach Bauart eines Spiralwärmeaustauschers gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 4.

[0043] Nach Patentanspruch 17 können die Mehrkanalprofile aus auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofilen gebildet sein. Im Bereich der späteren keilförmigen Endabschnitte werden die dort gestreckten Mehrkanalprofile dann beispielsweise mit einem entsprechend ausgebildeten Fräser von den Distanzrippen befreit. Anschließend werden die Flachseiten zusammengeführt, bis ihre Stirnkanten aneinander liegen. Diese Stirnkanten werden danach dicht verbunden, insbesondere verschweißt. Auch die Längskanten der Flachseiten werden in den Endabschnitten dicht verbunden, vorzugsweise verschweißt.

[0044] Die Mehrkanalprofile mit Umfangsrippen, Abschlussrippen, Mittelrippen und ggf. Längsrippen können entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 18 ebenfalls aus auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofilen gebildet sein. In diesem Fall werden zunächst die Umfangsrippen sowie die Mittelrippen im Bereich der keilförmigen Endabschnitte entfernt. Außerdem werden den Umfangsrippen benachbarte Endabschnitte keilförmig abgeschrägt. Die Länge dieser Bereiche entspricht etwa der Länge der Endabschnitte. Die seitlichen Abschlussrippen werden bis zu den Randkanten geführt, jedoch im Bereich der Endabschnitte verjüngt. Die Kürzungen und Abschrägungen können durch Fräsen erzeugt werden.

[0045] Im Rahmen des Patentanspruchs 19 wird eine hoch temperaturbeständige Stahlblech-Schweißkonstruktion beansprucht. Hierbei werden die Distanzrippen in Längsrichtung hochkant auf einen Stahlblechstreifen geschweißt. Dieser wird dann in Querrichtung zu einem Mehrkanalprofil gebogen und seine Längskanten werden anschließend wieder miteinander verschweißt.

[0046] Die Distanzrippen haben hierbei schon vor dem Anschweißen auf dem Stahlblechstreifen eine Länge, die um die Länge eines keilförmigen Endabschnitts kürzer ist. Derselbe Sachverhalt trifft auch für die Ausführungsform mit Umfangsrippen, Abschlussrippen, Mittelrippen und ggf. Längsrippen zu, die vor dem Anschweißen entsprechend konfiguriert werden können. Als Schweißmethode kann bevorzugt das Laserschweißen eingesetzt werden.

[0047] Um bei der Stahlblech-Schweißkonstruktion gemäß Patentanspruch 19 das Biegen der Distanzrippen über die Hochachse zu gewährleisten, ist es nach Patentanspruch 20 zweckmäßig, die Distanzrippen, insbesondere an den radial innen liegenden Längskanten, mit vorzugsweise keilförmigen Einschnitten zu versehen. Diese schließen sich dann beim Wickeln. Auf diese Weise werden die Distanzrippen bei der spiralförmigen Krümmung keinen Zwängungen unterworfen. Die radial außen liegenden Längskanten brauchen lediglich geschlitzt zu werden.

[0048] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

im Schema im vertikalen Querschnitt einen Spiralwärmeaustauscher;

Figur 2

im Schema in der Stirnansicht ein einzelnes Spiralelement des Spiralwärmeaustauschers der Figur 1;

Figur 3

in schematischer perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, das Spiralelement der Figur 2 in gestreckter Lage;

Figur 4

in schematischer perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, ein Zentralrohr des Spiralelements der Figuren 2 und 3;

Figur 5

in schematischer perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, eine weitere Ausführungsform eines Spiralelements in gestreckter Lage;

Figur 6

einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Figur 3 entlang der Linie VI-VI in Richtung der Pfeile Vla gesehen;

Figur 7

einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Figur 5 entlang der Linie VII-VII in Richtung der Pfeile Vlla gesehen;

Figur 8

einen Teilquerschnitt durch zwei einander benachbarte Spiralelemente entsprechend der Ausführungsform der Figuren 5 und 7;

Figur 9

einen Teilquerschnitt durch zwei einander benachbarte Spiralelemente gemäß der Ausführungsform der Figur 3 mit zusätzlichen Drahteinlagen;

Figur 10

in schematischer perspektivischer Teilansicht, teilweise im Schnitt, einen in gestreckter Lage dargestellten Längenabschnitt eines Spiralelements gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Figur 11

einen schematischen vertikalen Teil-Querschnitt durch einen Spiralwärmeaustauscher entsprechend einer weiteren Ausführungsform;

Figur 12

im vertikalen schematischen Längsschnitt einen Spiralwärmeaustauscher gemäß einer dritten Ausführungsform;

Figur 13

eine Stirnansicht auf den Spiralwärmeaustauscher der Figur 12;

Figur 14

in schematischer Stirnansicht eine vierte Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers;

Figur 15

im schematischen vertikalen Längsschnitt eine fünfte Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers;

Figur 16

eine schematische Stirnansicht auf den Spiralwärmeaustauscher der Figur 15;

Figur 17

in schematischer Stirnansicht eine sechste Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers und

Figur 18

im vertikalen schematischen Längsschnitt einen Ausschnitt aus einem Spiralwärmeaustauscher gemäß einer siebten Ausführungsform und

Figur 19

eine schematische Stirnansicht auf den Spiralwärmeaustauscher der Figur 18.

[0049] In der Figur 1 ist mit 1 ein Spiralwärmeaustauscher bezeichnet, wie er z.B. im Automobilbau im Zusammenhang mit Brennstoffzellen zum Einsatz gelangt.

[0050] Der Spiralwärmeaustauscher 1 umfasst in einem zylindrischen Gehäuse 2 acht aus der Figur 2 näher erkennbare Spiralelemente 3. Die Spiralelemente 3 sind in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet und axial ineinander geschoben (geschachtelt).

[0051] Jedes Spiralelement 3 besteht aus einem anhand der Figuren 3 und 4 näher erläuterten Zentralrohr 4 sowie einem spiralförmig um das Zentralrohr 4 gekrümmten Mehrkanalprofil 5, das ebenfalls anhand der Figur 3 nachstehend noch näher erläutert wird (Figur 2). Die Zentralrohre 4 der Spiralelemente 3 liegen alle auf demselben Teilkreis 6 (Figur 1).

[0052] Die den Zentralrohren 4 abgewandten Querkanten 7 der Spiralelemente 3 sind jeweils auf der Oberfläche 8 der radial außen liegenden Flachseite 21 des hinsichtlich des Zentralrohrs 4 in Krümmungsrichtung benachbarten Spiralelements 3 durch Schweißung festgelegt.

[0053] Dadurch, dass die Endabschnitte 9 der Spiralelemente 3 keilförmig gestaltet sind, weist der Spiralwärmeaustauscher 1 in der Stirnansicht gemäß Figur 1 eine im wesentlichen zylindrische Kontur auf. Der Spalt 10 zwischen den radial äußeren Oberflächen 8 der Spiralelemente 3 und der Innenwand 11 des Gehäuses 2 ist mit einem Dichtungsmaterial 12 verfüllt.

[0054] Wie in Figur 1 durch Punkte bzw. Kreuze dargestellt, sind jeweils vier Zentralrohre 4 mit dem Medium A und die anderen vier Zentralrohre 4 mit dem Medium B beaufschlagt. Die Medien A und B liegen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Außerdem soll durch die Punkte und Kreuze ein Gegenstromprinzip veranschaulicht werden.

[0055] Ausweislich der Figuren 3 und 4 ist in jedem Zentralrohr 4 in koaxialer Zuordnung eine Eintrittskammer 13 für ein Medium A oder B und eine Austrittskammer 14 ausgebildet. Die Eintrittskammer 13 und die Austrittskammer 14 sind durch eine Querwand 15 mit einem nasenartigen Vorsprung 16 voneinander getrennt. Die Eintrittskammer 13 wird über die Stirnseite 17 mit z.B. dem Medium A beaufschlagt. Über die gegenüberliegende Stirnseite 18 verlässt das Medium A die Austrittskammer 14.

[0056] Des Weiteren ist aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich, dass das Zentralrohr 4 im Bereich der Eintrittskammer 13 und der Austrittskammer 14 mit einem Längsschlitz 19 versehen ist, der sich nicht über die gesamte Länge des Zentralrohrs 4 erstreckt.

[0057] An den mit dem Längsschlitz 19 versehenen Umfangsbereich 20 des Zentralrohrs 4 wird ein Mehrkanalprofil 5 quer angeschweißt. Ein solches Mehrkanalprofil 5 kann gemäß der Ausführungsform der Figur 6 aus einem auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofil gebildet sein. Seine Breite B1 entspricht einem Mehrfachen der Höhe H. Die beiden Flachseiten 21, 22 des Mehrkanalprofils 5 sind seitlich durch Längswände 23 und zwischen den Längswänden 23 durch Distanzrippen 24 miteinander verbunden. Auf diese Weise werden im Mehrkanalprofil 5 Einzelkanäle 25 in zwei Kanalsträngen 45, 46 gebildet.

[0058] Die Einzelkanäle 25 im Kanalstrang 45 stehen über den Längsschlitz 19 im Zentralrohr 4 mit der Eintrittskammer 13 und im Kanalstrang 46 mit der Austrittskammer 14 in mediumleitender Verbindung (Figur 3).

[0059] Der an der Querwand 15 ausgebildete nasenartige Vorsprung 16 dient beim Anschweißen des Mehrkanalprofils 5 an das Zentralrohr 4 als Zentrierung (Schweißlehre), indem er in einen Einzelkanal 25 fasst.

[0060] Der dem Zentralrohr 4 abgewandte Endabschnitt 9 des Mehrkanalprofils 5 ist keilförmig gestaltet. Zu diesem Zweck werden die Längenabschnitte der Distanzrippen 24 in diesem Endabschnitt 9 weggefräst. Es verbleiben die Enden der Flachseiten 21, 22 und keilförmige Seitenwandbereiche 26. Dann wird das Ende der Flachseite 21 gemäß dem Pfeil PF in Figur 3 in Richtung auf das Ende der anderen Flachseite 22 abgebogen. Anschließend werden die Stirnkanten 27 der Flachseiten 21, 22 zur Querkante 7 und die Seitenkanten 28 mit den Seitenwandbereichen 26 verschweißt.

[0061] Danach wird das Mehrkanalprofil 5 gemäß den Figuren 1 und 2 spiralförmig gekrümmt.

[0062] Anhand der Figur 3 und eines Stromfadens STF des Mediums A ist die Durchströmung eines Spiralelements 3 beispielhaft verdeutlicht. Hierbei wird unterstellt, dass das gestreckt veranschaulichte Spiralelement 3 der Figur 3 entsprechend Figur 2 spiralförmig gekrümmt ist. Das Medium A tritt über die Stirnseite 17 in die Eintrittskammer 13 ein und gelangt von hier aus über den Längsschlitz 19 in den Kanalstrang 45 im Mehrkanalprofil 5, welcher mit der Eintrittskammer 13 verbunden ist. Das Medium A durchströmt den Kanalstrang 45 und tritt über den im Endabschnitt 9 ausgebildeten Überströmbereich ÜB in den Kanalstrang 46 ein, der mit der Austrittskammer 14 verbunden ist. Das Medium A verlässt das Spiralelement 3 dann über die Stirnseite 18 der Austrittskammer 14.

[0063] Die Figur 5 zeigt ein Spiralelement 3a in wiederum gestreckter Lage, bei welchem das Mehrkanalprofil 5a einen Querschnitt aufweist, wie er in Figur 7 dargestellt ist. Das heißt, es handelt sich ebenfalls um ein zunächst extrudiertes und dann auf Länge abgeteiltes Aluminiumprofil, das sowohl auf den im Einbauzustand radial außen liegenden Flachseiten 21 Umfangsrippen 29 als auch auf den radial innen liegenden Flachseiten 22 seitliche Abschlussrippen 30, eine Mittelrippe 31 in der Mittellängsebene und ggf. zwischen den Abschlussrippen 30 und der Mittelrippe 31 weitere Längsrippen 32 aufweist.

[0064] Ein derart extrudiertes und auf Länge abgeteiltes Mehrkanalprofil 5a wird hinsichtlich der inneren Distanzrippen 24 genauso bearbeitet wie anhand der Figur 3 erläutert. Ferner werden die Umfangsrippen 29 im Bereich des Endabschnitts 9 komplett entfernt und in einem daneben liegenden Bereich 33, dessen Länge etwa der Länge des Endabschnitts 9 entspricht, bei 34 keilförmig ausgebildet. Die im Bereich des Endabschnitts 9 liegenden Längenabschnitte 35 der seitlichen Abschlussrippen 30 werden hier keilförmig gestaltet. Die Mittelrippe 31 wird ebenfalls im Bereich des Endabschnitts 9 entfernt. Auch die an das Zentralrohr 4 grenzenden Enden 47 der Umfangsrippen 29 werden abgeschrägt.

[0065] Nachdem die Flachseiten 21, 22 mit ihren Stirnkanten 27 aneinander geführt sind, werden die Stirnkanten 27 zu den Querkanten 7 und die Seitenkanten 28 mit den Seitenwandbereichen 26 verschweißt. Im Anschluss daran wird das Mehrkanalprofil 5a mit dem Zentralrohr 4 zum Spiralelement 3a verschweißt und dann spiralförmig gekrümmt.

[0066] Liegen z.B. gemäß Figur 11 zwei Spiralelemente 3a radial nebeneinander, so werden nicht nur in den Endabschnitten 9 der Mehrkanalprofile 5a Überströmbereiche ÜB für die jeweiligen Medien A, B gebildet, sondern durch die Rippen 29, 30, 31 und gegebenenfalls 32 auch spiralförmige Kanäle im Bereich 36 zwischen zwei Mehrkanalprofilen 5a. Diese Bereiche 36 wirken dann als Sicherheitszonen, beispielsweise bei einem Sicherheits-Spiralwärmeaustauscher. Die Bereiche 36 können gegebenenfalls mit einem, insbesondere neutralen, Fluid beaufschlagt werden.

[0067] Ansonsten entspricht die Ausführungsform der Figur 5 derjenigen der Figur 3, so dass von einer nochmaligen Erläuterung Abstand genommen wird.

[0068] Die Spiralelemente 3a gemäß den Figuren 5 und 7 können so einander zugeordnet werden, dass die Umfangsrippen 29 eines Spiralelements 3a mit den Abschlussrippen 30, der Mittelrippe 31 und gegebenenfalls den Längsrippen 32 eines radial benachbarten Spiralelements 3a jeweils in denselben Querebenen verlaufen. Vorstellbar ist aber auch gemäß Figur 8, dass die Mehrkanalprofile 5a von zwei benachbarten Spiralelementen 3a in Achsrichtung des Spiralwärmeaustauschers 1 so zueinander versetzt sind, dass die Umfangsrippen 29 an dem einen Mehrkanalprofil 5a die radial innen liegende Flachseite 22 des benachbarten Mehrkanalprofils 5a kontaktieren, während die Abschlussrippen 30, die Mittelrippe 31 und gegebenenfalls die Längsrippen 32 des radial äußeren Mehrkanalprofils 5a die radial außen liegende Flachseite 21 des inneren Mehrkanalprofils 5a kontaktieren.

[0069] Statt der Rippenkonstruktion gemäß den Figuren 5 und 7 kann aber auch eine Bauart zur Anwendung gelangen, die aus einer Kombination der Gestaltung gemäß den Figuren 3 und 9 besteht. Hierbei ist anhand der Figur 9 zu erkennen, dass zwischen zwei radial einander benachbarten Spiralelementen 3 in den Bereichen der Einzelkanäle 25 der Mehrkanalprofile 5 sich von den Zentralrohren 4 aus bis zu den Endabschnitten 9 erstreckende Drahteinlagen 37 vorgesehen sind. Bei der Montage der Spiralelemente 3 werden folglich die Drahteinlagen 37 so gespannt, dass die radial innen und radial außen liegenden Flachseiten 22, 21 wellenförmig verformt werden, um so eine innige metallische Berührung (Wärmeleitung) unter Vorspannung zu bewirken.

[0070] Die in der Figur 3 in gestreckter Lage schematisch veranschaulichte Ausführungsform eines Spiralelements 3 kann aber auch gemäß der Ausführungsform der Figur 10 hergestellt sein.

[0071] Das Zentralrohr 4 bleibt hierbei unverändert. Das an das Zentralrohr 4 geschweißte Mehrkanalprofil 5b des Spiralelements 3b besteht aus einer hochtemperaturbeständigen Stahlblech-Schweißkonstruktion.

[0072] Zunächst werden Distanzrippen 24a in Längsrichtung hochkant auf einen Stahlblechstreifen 38 geschweißt. Danach wird dieser mit den Distanzrippen 24a versehene Stahlblechstreifen 38 quer zu dem Mehrkanalprofil 5b gebogen und seine Längskanten 39 dann miteinander verschweißt.

[0073] Damit dieses Mehrkanalprofil 5b problemlos spiralförmig um ein Zentralrohr 4 gekrümmt werden kann, sind bevorzugt die radial innen liegenden Längskanten 40 der Distanzrippen 24a mit keilförmigen Einschnitten 41 versehen. Die außen liegenden Längskanten 40 können ebenfalls mit solchen Einschnitten 41 versehen sein.

[0074] Bei der Ausführungsform der Figur 10 bleiben an dem dem nicht dargestellten Zentralrohr 4 abgewandten Ende des Mehrkanalprofils 5b die im Bereich des hier nicht näher dargestellten keilförmigen Endabschnitts 9 liegenden inneren Oberflächen frei von Distanzrippen 24a. Das heißt, die Distanzrippen 24a können vor dem Anschweißen genau auf Länge fixiert werden.

[0075] Dasselbe trifft zu, wenn die Ausführungsform gemäß Figur 10 durch Umfangsrippen 29, Abschlussrippen 30, eine Mittelrippe 31 und gegebenenfalls Längsrippen 32 ergänzt wird, wie sie anhand der Figuren 5 und 7 geschildert worden ist. Diese Rippen 29-32 können dann direkt beim Schweißen der Ausführungsform der Figur 10 mit festgelegt werden. Sie sind vorab längenmäßig konfiguriert. Das Schweißen erfolgt bevorzugt mittels Laserstrahlen.

[0076] Die Figur 11 zeigt im vertikalen Teil-Querschnitt die Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers 1a mit insgesamt vier Spiralelementen 3a gemäß der Ausführungsform der Figuren 5 und 7.

[0077] Zusätzlich ist zwischen die Umfangsrippen 29 eines Spiralelements 3a einerseits und die Abschlussrippen 30 sowie die Mittelrippe 31 und gegebenenfalls auch der weiteren Längsrippen 32 des radial benachbarten Spiralelements 3a andererseits ein Einlageblech 42 integriert. Dieses Einlageblech 42 erstreckt sich von der gemeinsamen Längsachse 43 der Spiralelemente 3a bis etwa zu den sich keilförmig verjüngenden Längenabschnitten 34 der Umfangsrippen 29 (siehe auch Figur 5).

[0078] Die Bereiche 44 zwischen zwei Einlageblechen 42 werden somit ebenfalls abgeschottet.

[0079] Auch kann, wie die Figur 11 zeigt, der Spiralwärmeaustauscher 1a von mindestens einer Mittenschikane 48 in Form eines Blechs durchzogen sein, welche in jedem Bereich 44 einen spiralförmig auf- und abwärts strömenden Fluss eines Mediums A oder B gewährleistet. Die Bereiche 44 stehen dann über aus der Figur 1 erkennbare stirnseitige Stutzen 49 mit Zu- und Ableitungen in Verbindung.

[0080] Aus den Figuren 12 und 13 ist im Schema eine Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers 1b erkennbar, bei welcher in Längsrichtung eines Gehäuses 2 gesehen zwei Gruppen 50, 51 von jeweils zwei ineinander geschachtelten Spiralelementen 3c vorgesehen sind. Die Zentralrohre 4a beider Gruppen 50, 51 sind voneinander getrennt, so dass über die Zentralrohre 4a der Gruppe 50 Medien zugeführt, im radial äußeren Überströmbereich ÜB von der Gruppe 50 in die Gruppe 51 überführt und über die Zentralrohre 4a der Gruppe 51 wieder abgeführt werden. Der Strömungsverlauf der Medien ist durch die Stromfäden STF gekennzeichnet.

[0081] Die Ausgestaltung der einzelnen Spiralelemente 3c kann entsprechend den vorstehend geschilderten Ausführungsformen erfolgen.

[0082] Die radial außen liegenden Endabschnitte 9 der Spiralelemente 3c, welche die Überströmbereiche ÜB definieren, sind durch eine etwa dreieckige Verformung von kreisrunden Rohren gebildet (Figur 13).

[0083] Anhand der Figuren 12 und 13 ist ferner in strichpunktierter Linienführung beispielsweise veranschaulicht, wie die Gestaltung und die Betriebsweise des Spiralwärmeaustauschers 1b verwirklicht werden kann, wenn in den Spiralelementen 3c ein Medium und ein anderes Medium zwischen den Spiralelementen 3c im gegenseitigen Wärmeaustausch strömt.

[0084] Zu diesem Zweck sind die Zentralrohre 4a jeweils mit ihren stirnseitigen Anschlüssen 59, 60 mit Gehäusen 61 verbunden. Die Gehäuse 61 sind dann jeweils mit einer rohrförmigen Zuleitung 62 sowie einer rohrförmigen Ableitung 63 versehen.

[0085] Stirnseitig des Gehäuses 2 sind Wände 64, 65 eingezogen. Die Wände 64, 65 sind kanalisiert, was durch die strichpunktierte Linienführung veranschaulicht ist.

[0086] Das Medium tritt bei 66 in die Wand 64 ein, gelangt von hier aus in der Wand 64 zu dem mittleren Bereich des Gehäuses 2 und strömt hier in der Gruppe 50 zwischen den Spiralelementen 3c radial nach außen. Im radial äußeren Bereich tritt das Medium gemäß den strichpunktiert eingezeichneten Stromfäden STF zur Gruppe 51 über und strömt hier zwischen den Spiralelementen 3c vom radial äußeren Bereich in den radial inneren Bereich. Hier tritt dann das Medium in die Kanäle der Wand 65 ein, strömt in der Wand 65 radial nach außen und verlässt das Gehäuse 2 bei 67.

[0087] Die vorstehend anhand der Figuren 12 und 13 geschilderte Betriebsweise ist selbstverständlich auch mit den anderen Bauarten in angepasster Form denkbar.

[0088] In der Figur 14 ist im Schema ein Spiralwärmeaustauscher 1c dargestellt, bei welchem sowohl an den radial inneren Enden der in einem Gehäuse 2 angeordneten Spiralelemente 3d als auch an den radial außen liegenden Enden kreisrunde Rohre 52, 53 vorgesehen sind. Die Längenabschnitte zwischen den Rohren 52 und 53 können entsprechend den Figuren 3 oder 5 bis 13 ausgebildet sein. Der Spiralwärmeaustauscherr 1c kann in verschiedener Weise betrieben werden.

[0089] Soll der Spiralwärmeaustauscher 1c als Gleichströmer betrieben werden, so können die Medien über die Zentralrohre 52 in die Spiralelemente 3d eintreten und über die radial außen liegenden, die Überströmbereiche ÜB definierenden Rohre 53 umgelenkt werden. Die Medien in den Spiralelementen 3d können unterschiedlich oder identisch sein.

[0090] Es ist aber auch vorstellbar, dass bei einem Gleichströmer der Spiralwärmeaustauscher 1c so betrieben wird, dass die Medien über die radial außen liegenden Rohre 53 in die Spiralelemente 3d eintreten und über die radial innen liegenden, dann die Überströmbereiche definierenden Zentralrohre 52 umgelenkt werden.

[0091] Auch bei dieser Betriebsweise können die Medien identisch oder unterschiedlich sein.

[0092] Des Weiteren kann der in der Figur 14 dargestellte Spiralwärmeaustauscher 1c als Gegenströmer betrieben werden. Dabei verläuft die Strömung des Mediums in dem einen Spiralelement 3d von innen nach außen und bei dem anderen Spiralelement 3d von außen nach innen. Die Medien können unterschiedlich oder identisch sein. Die Strömungsrichtungen sind in diesem Fall mit den Stromfäden STF angegeben

[0093] Anhand der Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers 1d der Figuren 15 und 16 ist veranschaulicht, dass bei einer Zuführung und Abführung der Medien über die Außenrohre 53 der Spiralelemente 3d die Außenrohre 53 dann über außerhalb eines Gehäuses 2 liegende Ringkanäle 54, 55 miteinander medienleitend verbunden sind. Dazu sind die Spiralelemente 3d wieder in zwei Gruppen 50, 51 unterteilt. Die Spiralelemente 3d der Gruppe 50 sind über ihre Außenrohre 53 mit dem Ringkanal 54 verbunden, während die Spiralelemente 3d der Gruppe 51 über ihre Außenrohre 53 mit dem Ringkanal 55 verbunden sind. Die Zentralrohre 52 der Spiralelemente 3d sind hierbei für beide Gruppen 50 und 51 gemeinsam ausgebildet, das heißt, sie bilden hier die Überströmbereiche ÜB.

[0094] Die Medien strömen beispielsweise gemäß dem Pfeil PF1 in den Ringkanal 54 und gelangen von hier aus in die Außenrohre 53 der Spiralelemente 3d der Gruppe 50. Im inneren Umfangsbereich strömen die Medien über die die Gruppen 50 und 51 verbindenden Zentralrohre 52 entsprechend dem Pfeil PF2 in die Spiralelemente 3d der Gruppe 51 und gelangen von hier aus wieder zu den Außenrohren 53, von wo aus sie in den Ringkanal 55 übertreten und dann gemäß dem Pfeil PF3 abströmen.

[0095] Die Figur 17 zeigt eine Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers 1e, bei welchem die radial außen liegenden, die Überströmbereiche ÜB definierenden Endabschnitte 9a der an Zentralrohre 4a angeschlossenen und in einem Gehäuse 2 um eine Längsachse 43 drehbaren Spiralelemente 3e zur Innenwand 11 des Gehäuses 2 hin flügelartig abgebogen sind. Es entstehen dann Leitflächen. Bei einer Rotation der Spiralelemente 3e um die Längsachse 43 kann dann sowohl ein Wärmeaustausch erzeugt als auch durch die abgebogenen Endabschnitte 9a eine Pumpwirkung erzielt werden.

[0096] Bei dieser Ausführungsform, welche ansonsten wie die Bauart gemäß Figur 12 ausgebildet sein kann, strömen beispielsweise die Medien über die Zentralrohre 4a in die Spiralelemente 3e der einen Gruppe 50 ein, gelangen von hier aus bis zu den flügelartig abgebogenen Endabschnitten 9a, werden dort in die andere Gruppe 51 überführt, gelangen von den Endabschnitten 9a zu den anderen Zentralrohren 4a und verlassen dann den Spiralwärmeaustauscher 1e wieder.

[0097] Die Figuren 18 und 19 zeigen eine Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers 1f, bei welchem von mindestens zwei ineinander geschachtelten Spiralelementen 3f, 3g eines, z.B. 3f mit Öffnungen 56 auf der Innenseite versehen wird. Das andere Spiralelement 3g weist Abstandshalter 57 mit Gleitfüßen 58 auf, die über die Öffnungen 56 gleiten können. Bei einer axialen Relatiwerlagerung der beiden Spiralelemente 3f, 3g können dann die Öffnungen 56 vergrößert oder verkleinert werden.

[0098] Diese Variante eines Spiralwärmeaustauschers 1f wird bevorzugt bei der Kondensation eines Mediums eingesetzt.

[0099] Der Strömungsverlauf der Medien ist hierbei etwa wie folgt:
Da die Spiralelemente 3f, 3g durch eine Mittenschikane 48 geteilt sind, gelangen die Medien von den Zentralrohren 4a über die Spiralelemente 3f, 3g zu den radial außen liegenden Endabschnitten 9, wo sie dann umgelenkt werden und in dem anderen Teilbereich der Spiralelemente 3f, 3g wieder zu dem innen liegenden Zentralrohr 4a abströmen.

Bezugszeichenaufstellung

[0100] 

1 - Spiralwärmeaustauscher

1a - Spiralwärmeaustauscher

1b - Spiralwärmeaustauscher

1c - Spiralwärmeaustauscher

1d - Spiralwärmeaustauscher

1e - Spiralwärmeaustauscher

2 - Gehäuse f. 1, 1a-e

3 - Spiralelement v. 1

3a - Spiralelement v. 1a

3b - Spiralelement v. 1, 1a

3c - Spiralelemente v. 1b

3d - Spiralelemente v. 1c, 1d

3e - Spiralelemente v. 1e

3f - Spiralelemente v. 1f

3g - Spiralelemente v. 1f

4 - Zentralrohre v. 3, 3a, 3b, 3e
   4a - Zentralrohr v. 3c, 3e, 3f

5 - Mehrkanalprofile v. 3, 3c, 3e, 3f

5a - Mehrkanalprofil v. 3a

5b - Mehrkanalprofil v. 3b

6 - Teilkreis v. 4

7 - Querkanten v. 3, 3a, 3b

8 - Oberflächen v. 3, 3a-c, 3f

9 - Endabschnitte v. 3, 3a, 3b, 3c
   9a - Endabschnitte v. 3e

10 - Spalt zw. 8 u. 11

11 - Innenwand v. 2

12 - Dichtungsmaterial

13 - Eintrittskammer v. 4

14 - Austrittskammer v. 4

15 - Querwand zw. 13 u. 14

16 - Vorsprung an 15

17 - Stirnseite v. 13

18 - Stirnseite v. 14

19 - Längsschlitz in 4

20 - Umfangsbereich v. 4

21 - Flachseite v. 5, 5a, 5b

22 - Flachseite v. 5, 5a, 5b

23 - Längswände v. 5, 5a, 5b

24 - Distanzrippen v. 5
   24a - Distanzrippen v. 5b

25 - Einzelkanäle v. 45 u. 46

26 - keilförmige Seitenwandbereiche v. 23

27 - Stirnkanten v. 21, 22

28 - Seitenkanten v. 9

29 - Umfangsrippen auf 21

30 - Abschlussrippen an 22

31 - Mittelrippe auf 22

32 - Längsrippen auf 22

33 - Bereich v. 5a

34 - keilförmige Abschnitte v. 29

35 - Längenabschnitte .v 30

36 - Bereiche zw. 5a

37 - Drahteinlagen

38 - Stahlblechstreifen

39 - Längskanten v. 38

40 - Längskanten v. 24a

41 - Einschnitte in 40

42 - Einlagebleche

43 - gemeinsame Längsachse v. 3, 3a-g

44 - Bereiche zw. 42

45 - Kanalstrang

46 - Kanalstrang

47 - Enden v. 29

48 - Mittenschikane

49 - Stutzen

50 - Gruppe v. 3c

51- Gruppe v. 3c

52 - Rohre v. 1c

53 - Rohre v. 1c

54 - Ringkanäle

55 - Ringkanäle

56 - Öffnungen in 3f

57 - Abstandshalter v. 3g

58 - Gleitfüße v. 3g

59 - Anschluss

60 - Anschluss

61 - Gehäuse

62 - Zuleitung

63 - Ableitung

64 - Wand

65 - Wand

66 - Eintritt

67 - Austritt

A- Medium

B - Medium

B1 - Breite v. 5

H - Höhe v. 5

PF- Pfeil

PF1 - Pfeil

PF2- Pfeil

PF3- Pfeil

STF - Stromfäden

ÜB - Überströmbereiche

Ansprüche

1. Spiralwärmeaustauscher mit ineinander geschachtelten, Medien (A, B) führenden Spiralelementen (3, 3a-g), bei dem jedes Spiralelement (3, 3a-g) durch ein teilweise längsgeschlitztes Zentralrohr (4, 4a) mit wenigstens einem stirnseitigen Medienanschluss sowie durch ein im Bereich des Längsschlitzes (19) quer an das Zentralrohr (4, 4a) angesetztes, an seinem dem Zentralrohr (4, 4a) abgewandten Endabschnitt (9, 9a) einen Überströmbereich (ÜB) definierendes, spiralförmig um das Zentralrohr (4, 4a) gekrümmtes Mehrkanalprofil (5, 5a-c) gebildet ist, dessen Breite (B1) einem Mehrfachen der Höhe (H) entspricht.

2. Spiralwärmeaustauscher mit ineinander geschachtelten, Medien (A, B) führenden Spiralelementen (3d), bei dem jedes Spiralelement (3d) durch ein teilweise längsgeschlitztes Außenrohr (53) mit wenigstens einem Medienanschluss sowie durch ein im Bereich des Längsschlitzes quer an das Außenrohr (53) angesetztes, an seinem dem Außenrohr (53) abgewandten inneren Endabschnitt (52) einen Überströmbereich (ÜB) definierendes, spiralförmig um den inneren Endabschnitt (52) gekrümmtes Mehrkanalprofil (5, 5a-c) gebildet ist, dessen Breite (B1) einem Mehrfachen der Höhe (H) entspricht.

3. Spiralwärmeaustauscher nach Patentanspruch 2, bei dem einerseits die ein Medium (A, B) zuführenden Anschlüsse und andererseits die ein Medium (A, B) abführenden Anschlüsse der Außenrohre (53) über Ringkanäle (54, 55) medienleitend miteinander verbunden sind.

4. Spiralwärmeaustauscher mit ineinander geschachtelten, Medien (A, B) führenden Spiralelementen (3, 3a-g), bei dem ein Spiralelement (3, 3a-g) gemäß Patentanspruch 1 und das andere Spiralelement (3d) gemäß Patentanspruch 2 ausgebildet ist.

5. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei dem die Spiralelemente (3, 3a-g) von einem zylinderförmigen Gehäuse (2) ummantelt sind und der Spalt (10) zwischen den radial äußeren Oberflächen (8) der Spiralelemente (3, 3a-g) und der Innenwand (11) des Gehäuses (2) mit Dichtungsmaterial (12) verfüllt ist.

6. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, welcher mindestens hinsichtlich seiner Spiralelemente (3, 3a-g) um seine Längsachse (43) drehbar ist.

7. Spiralwärmeaustauscher nach Patentanspruch 1 oder 6, bei dem die radial außen liegenden Endabschnitte (9a) der an Zentralrohre (4a) angeschlossenen und in einem Gehäuse (2) drehbaren Spiralelemente (3e) zur Innenwand (11) des Gehäuses (2) hin flügelartig abgebogen sind.

8. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei dem von zwei radial benachbarten, axial gegeneinander verlagerbaren Spiralelementen (3f, 3g) ein Spiralelement (z.B. 3f) mit Radialöffnungen (56) versehen ist, die in ihrer Größe von dem anderen Spiralelement (3g) mindestens mittelbar veränderbar sind.

9. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, bei dem der Endabschnitt (9) jedes Spiralelements (3, 3a-g) keilförmig ausgebildet ist, wobei die Querkante (7) des Endabschnitts (9) eines Spiralelements (3, 3a, c, e-g) auf der radial außen liegenden Flachseite (21) des hinsichtlich eines Zentralrohrs (4, 4a) bzw. eines Außenrohrs (53) in Krümmungsrichtung benachbarten Spiralelements (3, 3a, c, e-g) festgelegt ist.

10. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, bei dem die Zentralrohre (4, 4a, 52) bzw. die Außenrohre (53) der Spiralelemente (3, 3a, 3b, 3d) jeweils eine Eintrittskammer (13) und eine Austrittskammer (14) aufweisen, die durch in die Zentralrohre (4, 52) bzw. in die Außenrohre (53) dicht eingesetzte Querwände (15) voneinander getrennt sind.

11. Spiralwärmeaustauscher nach Patentanspruch 10, bei dem die Querwände (15) mit jeweils einem nasenartigen Vorsprung (16) zwischen zwei die Flachseiten (21, 22) der Mehrkanalprofile (5, 5a, 5b) der Spiralelemente (3, 3a, 3b, 3d) auf Abstand haltende, Einzelkanäle (25) bildende Distanzrippen (24, 24a) fassen.

12. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 9 bis 11, bei dem sich die Distanzrippen (24, 24a) von den Zentralrohren (4, 4a, 52) bzw. den Außenrohren (53) aus bis zu den keilförmigen Endabschnitten (9, 9a) erstrecken.

13. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, bei dem zwischen zwei radial einander benachbarten Spiralelementen (3, 3a-g) in den Bereichen der Einzelkanäle (25) sich von den Zentralrohren (4, 4a, 52) bzw. den Außenrohren (53) aus bis zu den Endabschnitten (9, 9a) erstreckende Drahteinlagen (37) vorgesehen sind.

14. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, bei dem auf den radial außen liegenden Flachseiten (21) der Mehrkanalprofile (5, 5a, 5b) sich von den Zentralrohren (4, 4a, 52) bzw. den Außenrohren (53) aus bis zu den Endabschnitten (9, 9a) erstreckende, an beiden Enden sich zu den Flachseiten (21) hin keilförmig verjüngende Umfangsrippen (29) vorgesehen sind.

15. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 12 oder 14, bei dem randseitig der radial innen liegenden Flachseiten (22) der Mehrkanalprofile (5, 5a, 5b) sich von den Zentralrohren (4, 4a, 52) bzw. den Außenrohren (53) aus bis an die Querkanten (7) der Endabschnitte (9) erstreckende, im Bereich der Endabschnitte (9) sich keilförmig verjüngende Abschlussrippen (30) vorgesehen sind, und in der Mittellängsebene der Mehrkanalprofile (5, 5a, 5b) Mittelrippen (31) von den Zentralrohren (4, 4a, 52) bzw. den Außenrohren (53) bis zu den Endabschnitten (9, 9a) verlaufen.

16. Spiralwärmeaustauscher nach Patentanspruch 15, bei dem zwischen die Umfangsrippen (29) des Mehrkanalprofils (5a) eines Spiralelements (3a) einerseits und die Abschlussrippen (30) sowie die Mttelrippe (31) des Mehrkanalprofils (5a) des radial benachbarten Spiralelements (3a) andererseits ein Einlageblech (42) integriert ist, das sich von der gemeinsamen Längsachse (43) der Spiralelemente (3a) bis etwa zu den sich keilförmig verjüngenden Längenabschnitten (34) der Umfangsrippen (29) erstreckt.

17. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 16, bei dem die Mehrkanalprofile (5) der Spiralelemente (3) aus auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofilen gebildet sind, die im Bereich der keilförmigen Endabschnitte (9, 9a) von den Distanzrippen (24) befreit sind, wobei die Flachseiten (21, 22) der Endabschnitte (9, 9a) über ihre Stirnkanten (27) miteinander verbunden sowie an den Seitenkanten (28) dicht verschlossen sind.

18. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 17, bei dem die Mehrkanalprofile (5a) der Spiralelemente (3a), die Umfangsrippen (29), die Abschlussrippen (30) und die Mittelrippen (31) aus auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofilen gebildet sind, wobei die Umfangsrippen (29) sowie die Mittelrippen (31) im Bereich der keilförmigen Endabschnitte (9, 9a) entfernt und die Umfangsrippen (29) benachbart dieser Endabschnitte (9, 9a) keilförmig verjüngt sind, während die seitlichen Abschlussrippen (30) im Bereich der Endabschnitte (9, 9a) keilförmig verjüngt sind.

19. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Patentansprüche 1 bis 18, bei dem die Mehrkanalprofile (5b) der Spiralelemente (3b) sowie gegebenenfalls die Umfangsrippen (29), die Abschlussrippen (30) und die Mittelrippen (31) aus hochtemperaturbeständigen Stahlblech-Schweißkonstruktionen gebildet sind, wobei die Distanzrippen (24a) in Längsrichtung hochkant auf einen Stahlblechstreifen (38) geschweißt, dieser dann quer zu einem Mehrkanalprofil (5b) gebogen ist und seine Längskanten (39) anschließend miteinander verschweißt sind.

20. Spiralwärmeaustauscher nach Patentanspruch 19, bei dem die Distanzrippen (24a), insbesondere an den radial innen liegenden Längskanten (40), mit vorzugsweise keilförmigen Einschnitten (41) versehen sind.

Zeichnung