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Dokumentenidentifikation DE10049890B4 22.02.2007
Titel Stapelscheiben-Wärmeübertrager
Anmelder Behr GmbH & Co. KG, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Grüner, Andreas, Dipl.-Ing. (FH), 73110 Hattenhofen, DE
DE-Anmeldedatum 10.10.2000
DE-Aktenzeichen 10049890
Offenlegungstag 11.04.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse F28F 3/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F28F 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein Stapelscheiben-Wärmeübertrager dieser Art ist aus der DE 199 06 180 A1 bekannt. Dort geht es allerdings um die Warmwasserbereitung und -speicherung, und es ist dort deshalb vorgesehen, dem Stapel aus Wärmeübertragungsplatten, der zwischen zwei Endplatten angeordnet ist, einen weiteren Stapel aus Wärmeübertragungsplatten nachzuordnen, die im Unterschied zum Stapel für das Heizwasser größere Profilierungen als Höhenbegrenzung als die Platten für das Heizwasser haben, so dass die dort für das Brauchwasser vorgesehenen Fließspalte einen größeren Querschnitt aufweisen als jene für das Heizwasser.

Bei Stapelscheiben-Ölkühlern, wie sie üblicherweise verwendet werden (siehe DE 197 16 845 A1), werden alle Scheiben parallel durchströmt. Die Wärmeaustauschfläche wird daher durch die Anzahl der Scheiben bestimmt. Je größer daher die Scheibenanzahl und die Wärmeaustauschfläche wird, umso mehr sinkt die Reynoldszahl. Es gibt daher ein Maximum von Scheiben, über dem keine Leistungssteigerung mehr erzielt werden kann, weil dann der Vorteil einer größeren Wärmeübertragungsfläche durch den Nachteil der geringeren Wärmeübertragung aufgrund der kleineren Reynoldszahl ausgeglichen wird.

In Kraftfahrzeugen, insbesondere bei der Getriebeöl- und Kraftstoffkühlung, ist es aber notwendig, relativ große Wärmemengen aus geringen Volumenströmen abzuführen. Der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, nach einer Möglichkeit der Erhöhung der Wärmeabfuhr zu suchen, ohne an die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche gebunden zu sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Stapelscheiben-Wärmeübertrager der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass Strömungsweg und Verweilzeit eines der Medien – im konkreten Fall eines Ölkühlers diejenigen des Öls – in einem Stapelabschnitt durch Umlenkung zur Zulaufseite vergrößert werden, ehe das Medium im zweiten Stapelabschnitt von der Zulaufseite zur Ablaufseite gelangt.

Durch diese Ausgestaltung wird eine intensivere Kühlung des Öles ermöglicht, ohne dass der Wärmeübergang durch absinkende Reynoldszahlen kleiner wird. Die Ausgestaltung weist auch den Vorteil auf, dass die bisherige Bauweise eines Stapelscheiben-Ölkühlers beibehalten werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass alle Platten mit je zwei Vorsprüngen und Durchgangsöffnungen für beide Medien und mit zwei weiteren Vorsprüngen und Durchgangsöffnungen zur Rückführung jedes der Medien zur Eintrittsseite versehen sind. Es wird auf diese Weise möglich, auch die übliche Bauweise von Stapelscheiben-Ölkühlern beizubehalten, bei denen die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels auf einer Seite und die Zu- und Abfuhr des Öles auf der anderen Seite des Wärmeübertragers erfolgt.

In Weiterbildung der Erfindung kann in einfacher Weise in einer die Begrenzung des Stapelabschnittes bildenden Platte die zum Rücklauf führende Durchgangsöffnung und in der den Stapelabschnitt auf der anderen Seite begrenzenden Platte die Durchgangsöffnung zum Zufuhrkanal verschlossen werden. Der Gesamtaufbau und die Herstellungsweise des Stapelscheiben-Wärmeübertragers kann dadurch beibehalten werden, was auch dadurch noch möglich ist, dass in Weiterbildung der Erfindung die Zu- und Abführöffnung für die beiden Medien auf entgegengesetzten Seiten des Stapelscheibenblockes, auf denen je eine Abschlussscheibe mit den Anschlussstutzen liegt, vorgesehen wird. Dabei kann dann eine Abschlussscheibe auf einer Seite mit Umlenkkanälen für das an der anderen Seite zugeführte Medium versehen werden.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung gezeigt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragers mit schematisch angedeuteten Strömungsrichtungen der an der Wärmeübertragung beteiligten Medien,

2 die Ansicht einer in 1 nicht gezeigten oberen Abschlussplatte,

3 den Schnitt längs der Linie III-III in 2,

4 die schematische Darstellung der ersten an die Abschlussscheibe der 2 angrenzenden Wärmeübertragerplatte,

5 die zweite an die Platte der 4 angrenzende Wärmeübertragerplatte,

6 eine schematische Erläuterung der in den 4 und 6 – und in weiteren Figuren – dargestellten Öffnungen in den Platten zur Bildung der Verbindungskanäle,

7 die an die Wärmeübertragerplatte der 5 angrenzende Wärmeübertragerplatte,

8 die an die Platte der 7 angrenzende Wärmeübertragerplatte,

9 die an die Wärmeübertragerplatte der 8 anschließende Wärmeübertragerplatte,

10 die an die Wärmeübertragerplatte der 9 anschließende Wärmeübertragerplatte, bei der die Zufuhröffnung für das eine Medium – Öl – verschlossen ist,

11 die an die Wärmeübertragerplatte der 10 angrenzende Wärmeübertragerplatte, in deren Hohlraum die Strömungsrichtung des Öls umgekehrt ist,

12 die an die Wärmeübertragerplatte der 11 angrenzende Wärmeübertragerplatte,

13 die nach Zwischenschaltung von drei Wärmeübertragerplatten nach den 11 bzw. 12 folgende Wärmeübertragerplatte, in der die Zuflussöffnung für das Öl verschlossen ist,

14 die an die Wärmeübertragerplatte der 13 angrenzende Wärmeübertragerplatte, in deren mit der Wärmeübertragerplatte nach 13 gebildeten Hohlraum das Öl nunmehr wieder die Strömungsrichtung einnimmt, die es in dem Hohlraum zwischen der Platte nach 7 und 5 hatte,

15 eine Variante einer Wärmeübertragerplatte für die Bildung des vom Kühlmittel durchströmten Hohlraumes und

16 die daran anschließende Wärmeübertragerplatte für die Bildung des von Öl durchströmten Hohlraumes.

In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Stapelscheiben-Wärmeübertrager in der Form eines Ölkühlers für einen Kraftfahrzeugmotor gezeigt. Der Stapelscheiben-Wärmeübertrager ist dabei – wie an sich bekannt – aus mehreren schalenförmig ausgestalteten Platten aufgebaut, die auf Abstand zueinander aufeinandergestapelt und dann an ihren Rändern dicht verbunden, beispielsweise verlötet, sind. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel soll zur Erläuterung davon ausgegangen werden, dass 17 solcher Platten, wie sie im einzelnen in den 4 bis 14 gezeigt sind, aufeinandergestapelt sind, wobei die Platten 1 bis 6 einen Stapelbereich bilden, in dem das im Sinn des Pfeiles 20 zugeführte Öl von dem in bekannter Weise gebildeten Zuführkanal 21 aus zu einem gegenüberliegenden Sammelkanal 22 und von dort wieder zum Zulaufkanal 21 umgelenkt wird, ehe es durch einen Austrittskanal 23 im Sinn des Pfeiles 24 wieder aus dem Kühler austritt.

Das Kühlmittel – beim Ausführungsbeispiel das Kühlmittel des Motors – wird auf der von der Zu- und Ablaufseite für das Öl abgewandten Oberseite des Stapelscheiben-Wärmeübertragers im Sinn des Pfeiles 25 zugeführt, durchströmt in bekannter Weise die ihm zugeordneten Hohlräume innerhalb des Stapelscheiben-Wärmeübertragers, wird dann in einem Sammelkanal im Sinn des Pfeiles 26 nach oben geführt, dort noch einmal umgelenkt und tritt im Sinn des Pfeiles 28 wieder aus dem Kühler aus. Natürlich wäre es möglich, auf die Umlenkung 27 zu verzichten und das Kühlmittel unmittelbar aus einer entsprechenden Öffnung im Sinn des Pfeiles 26 austreten zu lassen. Um diese Art der Durchströmung des Kühlers mit Öl zu erreichen, ist der Zuflusskanal 21 für das Öl durch das Verschließen der Öffnung (29) in der Stapelscheibe Nr. 6 (siehe 13) am weiteren Durchfluß im Zuführkanal 21 nach oben gehindert. Das Öl wird daher durch seine zugeordneten Kammern, die jeweils benachbart zu Kammern liegen, die vom Kühlmittel durchströmt sind, im Sinn der Pfeile 30 zum Sammelkanal 22 fließen und wird von dort aus durch das Verschließen der Verbindungsöffnung 31 in der Platte 12 (10) gezwungen, nunmehr im Sinn der Pfeile 32 zurück zum Zufuhrkanal 21 zu strömen, um von dort aus dann in den letzten Scheiben 13, 15 und 17 wieder im Sinn der Pfeile 30a zurück zum Sammelkanal 22 und von dort über die Umlenkung 33 durch den Austrittskanal 23 im Sinn des Pfeiles 24 nach unten austreten zu können.

Das Öl legt auf diese Weise innerhalb des Stapelscheibenkühlers einen größeren Weg als das der Fall gewesen wäre, wenn es in bekannter Weise vom Zuführkanal 21 aus im Gegenstrom zum Kühlmittel nur von einer zur anderen Seite in den entsprechenden Hohlkammern geströmt wäre. Die Verweilzeit des Öles innerhalb des Kühlers wird dadurch erhöht, und es kann der Wärmeübergang vergrößert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die von der Durchströmmenge und der Spalthöhe innerhalb der Hohlkammern und damit von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Reynoldszahl zu klein werden würde, um noch einen Wärmeübertragungsfaktor im Bereich der Turbulenz zu erzielen. Es ist natürlich ohne weiteres möglich und auch nötig, die Anzahl der in den Stapelabschnitten liegenden Platten und damit den Gesamtquerschnitt für die Durchströmung anders zu bestimmen, als dies jetzt anhand des Ausführungsbeispieles zum Zweck der Erläuterung dargestellt ist. Der Stapelabschnitt 34, der beim Ausführungsbeispiel die Platten 1 bis 12 umfaßt, sollte allerdings stets etwa die doppelte Anzahl von Platten aufweisen, wie der Stapelabschnitt 35, wenn die gleiche Strömungsgeschwindigkeit in allen vom Öl durchströmten Hohlräumen beibehalten werden soll.

Die 2 zeigt die den Stapel nach 1 oben abschließende Abschlussplatte 18, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Diese Platte 18 besitzt im Bereich des Zuführkanales 36 für das Kühlmittel einen Anschlussstutzen 37 und einen zweiten Anschlussstutzen 38 für den Rücklauf des Kühlmittels im Sinn des Pfeiles 28. Sie ist ferner mit einer Auswölbung 39 und einem Verbindungskanal 40 jeweils für die Umlenkung des Kühlmittels vom Sammelkanal 26 zum Austrittsstutzen 38 und vom Sammelkanal 22 des Öls zum Austrittskanal im Sinn des Pfeiles 24 versehen. Die an diese Platte 18 angrenzende oberste Platte des Stapels, die den letzten von Öl durchflossenen Hohlraum bildet, besitzt eine offene Zuflussöffnung 21 im Bereich des Zuflusskanals und eine ebenfalls offene Öffnung im Bereich des Sammelkanals 22. Eine die Verbindung zu der benachbarten kühlmitteldurchströmten Kammer abschließende Verbindungsöffnung 23 führt zum Kanal 40 der Umlenkung 39 bzw. zu den darunter liegenden Hohlkammern, die von Öl durchflossen werden, um einen Rückfluß im Sinn des Pfeiles 24 zu ermöglichen. Die Platte 17 besitzt außerdem die Öffnungen 26 und 37, die jeweils in an sich bekannter Weise an der Stirnseite von Vorsprüngen angebracht sind, die kegelstumpfförmig ausgebildet sein können und eine Höhe aufweisen, die bis zur benachbarten Platte reicht. Diese Kegelstümpfe können daher dicht mit der benachbarten Platte verbunden werden, so dass die Öffnung 37 und 26 für das Kühlmittel in dem von der Platte 17 gebildeten Hohlraum – der zur Durchströmung mit Öl gedacht ist – abgesperrt ist. Die 6 soll schematisch zeigen, wie die Darstellung der Kegelstümpfe 41 zu verstehen ist. Sie stellen jeweils die Verbindung der vom gleichen Medium durchströmten Hohlräume untereinander dar, wobei alle von den Platten mit ungeraden Ziffern gebildeten Hohlräume von Öl und die von mit geraden Ziffern versehenen Platten gebildeten Hohlräume vom Kühlmittel durchströmt sind.

Dies zeigt auch 5, wo die Platte 16 einen vom Kühlmittel durchströmten Hohlraum bildet, wobei hier aus dem Zuführkanal 37 das Kühlmittel in den Hohlraum strömt und diesen wieder durch den Sammel- und Rückflusskanal 26 verläßt.

Dieses System setzt sich, wie die 7 bis 9 zeigen, nach unten stets abwechselnd fort, bis zur Platte 12 (10), bei der nun die Verbindungsöffnung 31, die an sich die Verbindung der beiden an die Platte 12 angrenzenden, von den Platten 13 bzw. 11 gebildeten und vom Öl durchströmten Hohlräume bilden würde, geschlossen ist.

Dies führt dazu, wie 11 zeigt, dass das Öl in der von einer Platte 11 gebildeten Kammer entgegengesetzt, nämlich im Sinn der Pfeile 32 und nicht mehr im Sinn der Pfeile 30, strömt. Die von den Platten 11, 9 und 7 (die Platten 9 und 7 sind nicht im einzelnen gezeigt, weil sie der Platte 11 nach 11 entsprechen) durchströmten Hohlräume werden daher alle im Sinn der Pfeile 32 durchströmt, wobei das Öl hier vom Sammelkanal 22 aus zum Zuführkanal 21 zurückströmt. Die Scheibe 6 (13) besitzt nun eine Verbindungsöffnung 29, die ähnlich wie die Öffnung 31 der Scheibe 12 verschlossen ist, so dass beginnend mit dem von der Platte bzw. Scheibe 5 gebildeten Hohlraum das Öl wieder im Sinn der Pfeile 30 von der dem Zufuhrkanal 21 verbundenen Öffnung aus zum Sammelkanal 22 strömt. Dies setzt sich fort in den von den nicht gezeigten Platten 3 und 1 gebildeten Hohlräumen, wobei anschließend an die Platte 1 eine mit den Anschlussstutzen für das Öl versehene Abschlussplatte vorgesehen wird. Auf diese Weise sind die Zu- und Abfuhröffnungen für das Kühlmittel 28 und 36 auf einer Seite des Stapelscheiben-Wärmeübertragers und die – nicht gezeigten – Zu- und Abführstutzen für das Öl (das im Sinn der Pfeile 20 und 24 zu- und abgeführt wird) auf der entgegengesetzten Seite des Stapelscheibenkühlers vorgesehen.

Die 15 und 16 zeigen abgewandelte Scheiben 42 bzw. 43 für die Durchströmung mit Kühlmittel (Blatt 42) bzw. Öl (Blatt 43). Hier ist nämlich jeweils zwischen den Zuführkanälen 44 für das Kühlmittel und dem zugeordneten Abflusskanal 45 vorgesehen, Trennwände 46 anzuordnen, durch die das Kühlmittel gezwungen wird, einen längeren Weg innerhalb der von der Platte 42 gebildeten Kammer zurückzulegen. Dies gilt auch für die von der Platte 43 gebildete Kammer für die Durchströmung mit Öl, wo zwischen den Zuführöffnungen 47 und 48 vier Trennwände 49 angeordnet sind, die dem Öl eine mäanderartige Strömung aufzwingen. Auch diese Maßnahme dient zur Erhöhung des Wärmeüberganges, wie dies bei anderen Wärmeübertragern an sich schon bekannt ist.

Es hat sich herausgestellt, dass durch die Umlenkung in den Stapelabschnitten 34 und 35 – wie beschrieben – und bei Verwendung von Platten nach den 15 und 16 ein Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung bis zu 90° möglich ist. Standard-Stapelscheibenölkühler – auch wenn sie mit Umlenkungen in den Platten gemäß 15 und 16 versehen sind – erreichen nur maximale Wirkungsgrade von ca. 60%. Die Ausbildung der Durchströmung gemäß der vorliegenden Erfindung bringt daher Vorteile hinsichtlich der Wärmeübertragung. Die beim Stand der Technik durch Erhöhung der Übertragungsfläche entstehenden Nachteile hinsichtlich der Reyonoldszahl werden aber vermieden.


Anspruch[de]
Stapelscheiben-Wärmeübertrager mit mehreren schalenförmig ausgebildeten Platten (1 bis 17), die im Abstand zueinander aufeinandergesetzt, an ihrem umlaufenden Rand dicht verbunden und jeweils mit Vorsprüngen zur gegenseitigen Anlage sowie mit Durchgangsöffnungen (Kanäle 21, 22, 26, 36) zur Verbindung mit weiteren Hohlräumen versehen sind, wobei aneinandergrenzende Hohlräume von unterschiedlichen Medien von einer Zulaufseite zu einer Ablaufseite durchströmt sind und im Stapel mindestens zwei Stapelabschnitte für unterschiedliche Durchströmungsverhältnisse gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungsweg und Verweilzeit eines der Medien in einem Stapelabschnitt (34) durch Umlenkung zur Zulaufseite (21) vergrößert werden, ehe das Medium im zweiten Stapelabschnitt (35) von der Zulaufseite zur Ablaufseite (22) gelangt. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Platten (1 bis 17) mit je zwei Vorsprüngen mit Durchgangsöffnungen für beide Medien und mit zwei weiteren Vorsprüngen und Durchgangsöffnungen zur Rückführung jedes der Medien zur Eintrittsseite versehen sind. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer die Begrenzung des Stapelabschnittes (34) bildenden Platte (12) die zum Rücklauf führende Durchgangsöffnung (31) und in der den Stapelabschnitt unterteilenden Platte (6) die Durchgangsöffnung (29) zum Zuführkanal (21) verschlossen ist. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zu- und Abführöffnungen (37, 38 bzw. 20, 24) für die beiden Medien auf entgegengesetzten Seiten des Stapelscheibenblockes an jeweils einer Abschlussscheibe (z.B. 18) vorgesehen sind. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Seite vorgesehene Abschlussscheibe (18) mit Umlenkkanälen (40) für das an der anderen Seite zugeführte Medium versehen ist. Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Platten (42, 43) mit Trennwänden (46 bzw. 49) zur Umlenkung des durchströmenden Mediums innerhalb der spaltartigen Hohlkammer versehen sind.






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