[0001] Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager mit den Merkmalen des Oberbegriffs
aus dem Anspruch 1. Die im Oberbegriff angegebenen Merkmale charakterisieren Plattenwärmeübertrager,
die mittlerweile in vielen Quellen auch als "gehäuselose" Plattenwärmeübertrager bezeichnet
werden.
[0002] Solche Plattenwärmeübertrager gehören seit geraumer Zeit zum Stand der Technik. Ein
geeignetes Beispiel kann der DE - OS 30 21 246 entnommen werden. Der bekannte Plattenwärmeübertrager
besteht aus einem auflösbaren Stapel von Platten, zwischen denen Dichtungen angeordnet
sind. Er ist wahrscheinlich zum Einsatz im Bereich der Nahrungsgüterwirtschaft vorgesehen.
Der im Verteilerkanal und im Sammelkanal angeordnete Körper dient der besseren Aufteilung
des einströmenden Mediums auf die Strömungskanäle, damit möglichst sämtliche Strömungskanäle
an der Wärmeübertragung beteiligt werden. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn
der Plattenwärmeübertrager aus einer großen Anzahl von Wärmeübertragerplatten aufgebaut
ist, die zu einer großen Anzahl erwähnter Strömungskanäle führt, wobei längst nicht
alle Strömungskanäle ausreichend durchströmt werden.
[0003] Der bekannte Plattenwärmeübertrager ist für Medien, die unter besonders hohen Drücken
stehen nicht anwendbar.
[0004] Zusätzlicher Stand der Technik wurde in der DE 30 20 557 A1, in DE 32 15 961 A1 sowie
bspw. in FR 2 634 276 A1 beschrieben, auf den hiermit hingewiesen wird. Dieser Stand
der Technik scheint weiter entfernt zu liegen, da er keine Plattenwärmeübertrager
mit Wärmeübertragerplatten betrifft, die mindestens vier Durchbrüche aufweisen, welche
genauso viele Sammel - oder Verteilerkanäle bilden. Somit betrifft dieser Stand der
Technik keine "gehäuselosen" Plattenwärmeübertrager.
[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Plattenwärmeübertrager vorzuschlagen,
der für unter hohem Druck stehende Medien, beispielsweise zum Wärmeaustausch zwischen
dem Kältemittel in Klimaanlagen und einer Kühlflüssigkeit, einsetzbar ist.
[0006] Diese Aufgabe wird bei dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Plattenwärmeübertrager
durch die im Kennzeichen aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß gelöst.
[0007] Da der Plattenwärmeübertrager eine insbesondere aus mit Lot beschichtetem Aluminiumblech
aufgebaute Lötkonstruktion ist und der Körper sich im wesentlichen durch den gesamten
Verteiler - bzw. Sammelkanal hindurch erstreckt, wobei er an einem Ende direkt oder
indirekt mit der Grundplatte und am anderen Ende direkt oder indirekt mit der Deckplatte
metallisch verbunden ist, erhält der Plattenwärmeübertrager eine ausgesprochen gute
Druckstabilität, und er ist deshalb besonders zum Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel,
bspw. CO
2, einer Klimaanlage und der Kühlflüssigkeit des Motors eines Kraftfahrzeuges geeignet.
Insbesondere das Kältemittel steht bekanntlich unter einem sehr hohen Druck von bis
zu etwa 150 bar Arbeitsdruck, wobei der Plattenwärmeübertrager einem maximalen Druck
von etwa 450 bar widerstehen soll, ohne seine Funktion zu verlieren.
[0008] Die Druckstabilität wird insbesondere durch die Anordnung des Körpers im Verteiler
- und im Sammelkanal für das CO
2 und durch die direkte oder indirekte Verbindung des Körpers mit der Grundplatte und
mit der Deckplatte erreicht.
[0009] Die an sich bestens bekannte Ausbildung des Plattenwärmeübertragers aus mit einem
Lotwerkstoff beschichtetem Aluminiumblech oder beispielsweise aus Edelstahlblech in
einer kompakten Lötkonstruktion alleine, hat sich als nicht ausreichend herausgestellt,
um die geforderte Druckstabilität zu gewährleisten.
[0010] Es wurde erkannt, dass die noch wirkungsvollere Einbindung der Deck - und der Grundplatte
in den Festigkeitsverbund des Plattenwärmetauschers eine einfache und zuverlässige
Problemlösung darstellt. Der Erfinder hat damit die Verwendung von Wärmeübertragerplatten
mit größerer Blechdicke und all den anderen daraus folgenden Nachteilen vermieden.
[0011] Die Grundplatte und die Deckplatte sind im allgemeinen mit wesentlich größerer Blechdicke
ausgebildet als die Wärmeübertragerplatten und deshalb geeignet, Kräfte aufzunehmen
und noch besser als bisher für Stabilität zu sorgen. Der Körper, der vorzugsweise
ein geschlossenes Rundstab ist, trägt außerdem dazu bei, dass sich das Kältemittel
ausgezeichnet auf alle Strömungskanäle verteilt, wodurch eine sehr gute Wärmeaustauschrate
insbesondere dann erreicht wird, wenn eine große Anzahl von aus Wärmeübertragungsplatten
gebildeten Strömungskanälen vorgesehen ist.
[0012] Der Strömungsweg des CO
2 im Verteiler - und im Sammelkanal stellt sich vorzugsweise als ringförmiger Kanal
dar, und er ist von der Wand des Körpers und vom Rand der Durchbrüche in den Wärmeübertragerplatten
begrenzt. Der ringförmige Strömungsweg geht durch den gesamten Stapel hindurch und
verteilt somit das CO
2 auf diejenigen Strömungskanäle, die dem Verteilerkanal und dem Sammelkanal zugeordnet
sind. Es muss aber betont werden, dass der Strömungsweg durchaus nicht über den gesamten
Stapel mit gleicher Abmessung und ringförmig ausgebildet sein muss. Mit anderen Worten,
der den Strömungsweg bestimmende Querschnitt des Körpers muss nicht über den gesamten
Stapel gleichmäßig ausgebildet sein.
[0013] Von einer direkten Verbindung zwischen den Enden des Körpers und der Grund-bzw. der
Deckplatte kann dann gesprochen werden, wenn die Enden unmittelbar in oder an den
Durchbrüchen der Grund - bzw. der Deckplatte angelötet sind. Indirekt ist die Verbindung
dann, wenn ein Zwischenglied, beispielsweise ein Flansch oder dergleichen Einzelteil,
vorhanden ist. Es ist absolut klar, dass mit der Grundplatte ein direkte Verbindung
vorhanden sein kann, während mit der Deckplatte eine indirekte Verbindung ausgewählt
wurde, oder umgekehrt. Jedenfalls soll die Wirkung des Körpers als Anker zwischen
der Deckplatte und der Grundplatte vorhanden sein, damit er dem Innendruck entgegenwirken
kann.
[0014] Wegen weiterer Merkmale der Erfindung wird auf die abhängigen Ansprüche und auf die
folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen verwiesen.
[0015] Die beiliegenden Figuren zeigen den Plattenwärmeübertrager erstens in perspektivischer
und teilweise auseinandergezogener Darstellung und zweitens in einem durch die Anschlussstutzen
geführten Schnitt durch den Plattenwärmeübertrager.
[0016] Der Plattenwärmeübertrager dient dem Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel CO
2 und der Kühlflüssigkeit eines Kraftfahrzeugmotors und wird in bekannter und nicht
gezeigter Weise in die Klimaanlage integriert.
[0017] Er besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel komplett aus mit Lot beschichteten Aluminiumblechen
von grundsätzlich rechteckiger Gestalt, wobei auch die Gestalt zweckentsprechend ausgewählt
werden kann. Aus den Aluminiumblechen wurden wannenförmige Wärmeübertragerplatten
4 hergestellt, die einen einfach abgekanteten Rand
24 aufweisen und die mit jeweils vier Durchbrüchen
5 versehen sind. Die gleiche Gestalt wurde auch für die Deckplatte
3 und für die Grundplatte
2 vorgesehen. Die Grundplatte
2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ohne Durchbrüche
5 ausgebildet, da die Zu - und Abführung des CO
2 und der Kühlflüssigkeit an der Deckplatte
3 vorgesehen ist. Die Wärmeübertragerplatten
4 werden zu einem Stapel zusammengefügt. Zwischen den Wärmeübertragerplatten
4, bzw. zwischen deren beabstandeten Wärmeaustauschflächen wurden in den Strömungskanälen
10 in bekannter Art und Weise von der Kühlflüssigkeit durchströmbare Lamellen
32 eingefügt, die für einen effizienten Wärmeaustausch sorgen. Die Lamellen
32 tragen außerdem zu einer größeren Druckfestigkeit bei, denn sie sind mit den Wärmetauschflächen
verlötet. In der Fig. 2 wurden die Lamellen
32 lediglich angedeutet. Die Grund - und die Deckplatte
2,
3 vervollständigen den Plattenwärmeübertrager. Im Ausführungsbeispiel zeigt der Rand
24 der Platten
2,
3,
4 nach unten. Die vier Durchbrüche
5 der aufeinander gestapelten Wärmeübertragerplatten
4 bilden vier vertikal durch den Stapel hindurchgehende Sammel - und Verteilerkanäle
6, 7, 8, 9. Die Bezugszeichen
6, 7, 8, 9 wurden an den Strömungspfeilen angebracht, die gleichzeitig zeigen sollen, dass bei
6 die Kühlflüssigkeit in den Verteilerkanal
6 des Plattenwärmetauschers über den Anschlussstutzen
1.2 einströmt und die über den Sammelkanal
7 und den Anschlussstutzen
1.2, nach Durchströmung der Strömungskanäle
10, denselben wieder verläßt. Analog strömt bei
9 das Kältemittel in den Plattenwärmeübertrager ein, welches nach Durchströmung der
Strömungskanäle
11 den Plattenwärmeübertrager bei
8 wieder verläßt. Der Wärmeaustausch erfolgt somit im Gleichstrom, wobei jedoch in
einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel Gegenstrom vorgesehen ist. Die Anschlussstutzen
1.1 für das Kältemittel sind spezielle Hochdruckfittinge. Im Verteilerkanal
9 und im Sammelkanal 8 für das Kältemittel befindet sich jeweils ein Körper
12. Der Körper
12 erstreckt sich durch den gesamten Verteilerkanal
9 bzw. durch den Sammelkanal
8 hindurch. Er ist von im Querschnitt allgemein runder Gestalt, deren Durchmesser kleiner
sein muss als der Durchmesser der Durchbrüche
5, die den Verteilerkanal
9 und den Sammelkanal
8 bilden. Am zusammengefügten Plattenwärmeübertrager bildet sich deshalb zwischen dem
Rand
15 der Durchbrüche
5 und dem Körper
12 ein im Ausführungsbeispiel ringförmiger Strömungsweg
16 innerhalb des Verteiler - und des Sammelkanals
8, 9 aus, der vom Kältemittel durchströmt wird. Jeder zweite Strömungskanal
11 ist hydraulisch mit dem Verteiler - und mit dem Sammelkanal
8, 9 verbunden. Da sich im gezeigten Ausführungsbeispiel die durch die Wärmeübertragerplatten
4 gebildeten Strömungskanäle
10 und
11 abwechseln, sind die ersten Strömungskanäle
10 hydraulisch mit dem Verteiler - und mit dem Sammelkanal
6,
7 verbunden. Die hydraulische Verbindung der Verteiler - und der Sammelkanäle
6,
7,
8,
9 mit den zugeordneten Strömungskanäle
10 bzw.
11 ist nicht detailliert gezeigt worden, weil solche Ausbildungen zum Stand der Technik
gehören. Es ist aber aus der Fig. 2 erkennbar, dass um die Durchbrüche
5 herum durch Umformung hergestellte Durchzüge
15 angeordnet sind, die die hydraulische Verbindung vom Verteilerkanal
8 und dem Sammelkanal
9 in den Strömungskanal
10 hinein blockieren. Dieser und alle übernächsten Strömungskanäle
10 sind nur vom Verteilerkanal
6 und Sammelkanal
7 (für Kühlflüssigkeit) aus hydraulisch zugänglich, was jedoch nicht zeichnerisch dargestellt
wurde. Dort fehlen dementsprechend die erwähnten Durchzüge
15. Anstelle der Durchzüge
15 könnten auch Ringe eingelegt werden.
[0018] Das im Bild untere Ende
13 des Körpers
12 ist metallisch direkt mit der Grundplatte
2 verbunden und das im Bild obere Ende
14 ist metallisch direkt mit der Deckplatte
3 verbunden, wodurch dem Plattenwärmeübertrager eine sehr gute Druckfestigkeit verliehen
wurde. Die Grundplatte
2 und die Deckplatte
3 besitzen ausreichende Stabilität. Es bietet sich an, für die Anordnung der Körper
12 den Verteiler - und den Sammelkanal
8,
9 für das Kältemittel auszuwählen, da dasselbe unter einem wesentlich höheren Druck
steht als die Kühlflüssigkeit. Eine Bedingung ist das jedoch nicht, denn auch durch
die Anordnung der Körper
12 in dem anderen Verteiler - und dem Sammelkanal
6,
7 wird eine höhere Druckfestigkeit des Plattenwärmeübertragers erreicht.
[0019] Gleichfalls könnte in jedem Verteiler - und Sammelkanal
6,
7,
8,
9 ein solcher Körper
12 angeordnet sein, um extrem hohen Drücken widerstehen zu können.
[0020] Die Anschlussstutzen
1.1 befinden sich an dem Verteiler - und dem Sammelkanal
8 und
9, die für das Kältemittel gedacht sind. Wegen des dort herrschenden extrem hohen Drucks
ist eine ganz besondere Konstruktion erforderlich, die im Folgenden näher beschrieben
werden soll.
[0021] Die Anschlussflansche
20 sind aus der Deckplatte
3 durch Umformung gebildet worden. Die Flanschplatten
23 an der Grundplatte
2 ebenfalls, wobei auch die Flanschplatte
23 ein Reduzierstück
31 aufweist, in dem das untere Ende
13 des Körpers
12 eingelötet ist. Der Körper
12 besitzt am oberen Ende
14 eine Verjüngung
30, die in das am Anschlussflansch
20 angeformte Reduzierstück
21 eingeführt werden kann, um dort metallisch verbunden zu werden. Um das Reduzierstück
21 herum sind mehrere Öffnungen
22 eingebracht worden, die um den Umfang verteilt sind. Davon sind fünf Öffnungen
22 in der Fig 1 erkennbar. Der Anschlussstutzen
1.1 wurde auf dem Anschlussflansch
20 und auf der Deckplatte
3 aufgelötet, wobei seine Umrandung
25 um die Öffnungen
22 und um das Reduzierstück
21 herum reicht. Der Anschlussstutzen
1.1 besitzt innen etwa sägezahnartige Ausschnitte
26, durch die das CO
2 von der nicht gezeigten Leitung aus einströmen kann, wobei es weiter durch die Öffnungen
22 bis in den Verteilerkanal
9 hinein strömen wird. Im Verteilerkanal
9 ist ein ringartiger Strömungsweg
26 ausgebildet von dem aus der Zugang zu den Strömungskanälen
11 gewährleistet ist. (siehe gestrichelte Pfeile in Fig. 2, rechts) In analoger Weise
kann das gekühlte CO
2 den Plattenwärmeübertrager über den anderen Anschlussstutzen
1.1 wieder verlassen, auch wenn das aus der Darstellung nicht erkennbar ist, da die Schnittebene
in beiden Anschlussstutzen
1.1 nicht identisch ist. Eine solche Ausbildung ist besonders vorteilhaft, da sie dafür
sorgt, dass die Zugänge von dem Strömungsweg
16 in die Strömungskanäle
11 hinein (und heraus) konstruktiv bzw. fertigungstechnisch leichter herstellbar sind.
Es ist zu bedenken, dass bei einem beispielsweise etwa
6 mm im Durchmesser messenden Verteilerkanal bzw. Sammelkanal die Ausbildung der Zugänge
zu erheblichen Problemen führen würde. Durch das Vorsehen des Körpers
12 mit dem beschriebenen Strömungsweg
16 wurde es möglich, deutlich größere Freiheiten bei der Ausbildung der Zugänge anzubieten,
und was weiter wesentlich ist, ohne dabei die gesamte Querschnittsfläche wesentlich
zu vergrößern, denn dieselbe geht bekanntlich bei der Bestimmung der in dem Plattenwärmeübertrager
wirkenden Druckkräfte in die Berechnung ein. Der Querschnittsfläche des Körpers
12 ist abgestimmt mit der Querschnittsfläche des Verteiler
9 - und des Sammelkanals
8, so dass die Querschnittsfläche des verbleibenden Strömungsweges
16 etwa mit der Querschnittsfläche der Öffnungen
22 und der Ausschnitte
26 korrespondiert, um günstige Strömungsbedingungen zu schaffen. Der ringartige Strömungsweg
26 wurde mit
di und
da markiert, womit der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Querschnittsfläche
des Strömungswegs
26 gemeint sein soll.
[0022] Aus der Fig. 2 ist ferner zu sehen, dass zwei verschiedene Arten von Wärmeübertragerplatten
4 in diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden. Die eine Art ist in der Blechdicke
etwa mit derjenigen der Grundplatte
2 und der Deckplatte
3 zu vergleichen, während die andere Art wesentlich dünner ist. Dies ist ebenfalls
der Tatsache geschuldet, dass die Drücke extrem hoch sind.
1. Plattenwärmeübertrager, bestehend aus Anschlussstutzen (1), Grundplatte (2), Deckplatte
(3) und aus Wärmeübertragerplatten (4) mit mindestens vier vorzugsweise kreisförmigen
Durchbrüchen (5) für zwei Medien, wobei zwischen Grundplatte (2) und Deckplatte (3)
die Wärmeübertragerplatten (4) so ineinander oder aufeinander gestapelt sind, dass
die Durchbrüche (5) durch den Stapel von Wärmeübertragerplatten (4) hindurchgehende
Sammel - oder Verteilerkanäle (6, 7, 8, 9) bilden, wobei von den Sammel - oder Verteilerkanälen
(6, 7, 8, 9) Zu - bzw. Ausgänge zu Strömungskanälen (10, 11) zwischen den Wärmeübertragerplatten
(4) vorhanden sind, in denen die Wärmeübertragung stattfindet, sowie mit in einem
Verteiler - und im zugehörigen Sammelraum (8, 9) etwa koaxial angeordnetem Körper
(12),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Plattenwärmeübertrager eine Lötkonstruktion ist und dass sich der Körper (12)
im wesentlichen durch den gesamten Verteiler - bzw. Sammelkanal (6, 7) hindurch erstreckt,
wobei er an einem Ende (13) mit der Grundplatte (2) und am anderen Ende (14) mit der
Deckplatte (3) metallisch verbunden ist, so dass der Körper (12) dem Innendruck im
Plattenwärmeübertrager entgegenwirken kann.
2. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Körper (12) und dem von den Durchbrüchen (5) gebildeten Rand (15) des
Verteiler - oder Sammelkanals (8, 9) ein Strömungsweg (16) ausgebildet ist.
3. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12) vorzugsweise ein Rundstab ist, so dass der Strömungsweg (16) im Verteilerkanal
und im Sammelkanal (8, 9) ringförmig (di, da) ausgebildet ist.
4. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper an wenigstens einem Ende (14) eine Verjüngung (30) aufweist, dass dieses
Ende (14) an der Seite angeordnet ist, wo sich der zugeordnete Anschlussstutzen (1.1)
befindet, dass die Verjüngung (30) in einem Anschlussflansch (20) mit einem Reduzierstück
(21) mündet und darin verlötet ist und dass um das Reduzierstück (21) herum vorzugsweise
mehrere Öffnungen (22) eingebracht sind, durch die hindurch eine hydraulische Verbindung
in den vorzugsweise ringförmigen Strömungsweg (16) und weiter durch die zugeordneten
Strömungskanäle (11) vorhanden ist.
5. Plattenwärmeübertrager nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstutzen (1.1) am Anschlussflansch (20) vorzugsweise angelötet ist, wobei
er das Reduzierstück (21) und die Öffnungen (22) mit seiner Umrandung (25) umgreift.
6. Plattenwärmeübertrager nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussflansch (20) entweder durch Umformung an der Deck - oder der Grundplatte
(2, 3) gebildet ist, oder ein Einzelteil ist.
7. Plattenwärmeübertrager nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Körpers (12) und der Querschnitt des Verteiler - bzw. des Sammelkanals
(8, 9) so miteinander abgestimmt sind, dass der Querschnitt des verbleibenden ringförmigen
Strömungswegs (16, di, da) etwa dem Querschnitt aller Öffnungen (22) entspricht.
8. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende (13) des Körpers (12) mittels einer Flanschplatte (23) fest an der
Grundplatte (2) angelötet ist, wobei die Flanschplatte (23) vorzugsweise ebenfalls
durch Umformung der Grundplatte (2) gebildet ist.
9. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Körper (12) enthaltenden Verteiler - und Sammelkanäle (8, 9) und die zugehörigen
Strömungskanäle (11) für CO2 als Kältemittel von Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, während durch
die anderen Verteiler - und Sammelkanäle (6, 7) und durch zugehörige Strömungskanäle
(10) die Kühlflüssigkleit des Motors strömt.
10. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerplatten (4) Wannenform aufweisen, wobei sie einen umlaufenden,
einfach abgekanteten Rand (24) und im übrigen eine zumindest überwiegend ebene Wärmeaustauschfläche
besitzen, so dass sie derart ineinander stapelbar sind, dass die Ränder (24) benachbarter
Platten durch Löten zu verbinden sind und zwischen den Wärmeaustauschflächen jeweils
ein Strömungskanal (10, 11) ausgebildet ist, und wobei an mindestens zwei Durchbrüchen
(5) in den Wärmeübertragerplatten (4) an sich bekannte Mittel (Durchzüge 15 oder Ringe)
vorgesehen sind, um einen Strömungskanal (10) von dem einen Verteilerkanal und dem
einen Sammelkanal (8, 9) hydraulisch zu trennen, der wiederum über die Durchbrüche
(5) ohne Durchzüge oder Ringe (15) mit dem anderen Verteilerkanal und dem anderen
Sammelkanal (6, 7) hydraulisch verbunden ist, usw.
11. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Wärmeübertragerplatten (4) mit einer größeren Materialdicke
ausgebildet sind als die anderen Wärmeübertragerplatten (4), wobei die Materialdicke
der dickeren Wärmeübertragerplatten (4) etwa der Materialdicke an der Deckplatte (3)
und an der Grundplatte (2) entspricht.