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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauschvorrichtung mit
einem Plattenelement, das ein sich über eine Wärmeaustauschfläche erstreckendes
Formteil aufweist.
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Bei
maschinellen Einrichtungen, beispielsweise Werkzeugmaschinen, kommt
es durch die Verlustwärme
von Antrieben und hoch belasteten Lagern sowie durch prozessbedingte
Wärmequellen
zu bereichsweisen Temperaturerhöhungen
in tragenden Teilen, falls keine Maßnahmen zur Wärmeabfuhr
ergriffen werden. Bei hochpräzisen
Maschinen beeinträchtigt
eine durch die Aufheizung von Bauteilen verursachte Verformung die
Werkstück-Maßhaltigkeit
in schwerwiegender Weise. Eine Kühlung
als Gegenmaßnahme
vorzusehen gestaltet sich vielfach äußerst schwierig oder nicht
durchführbar,
weil die baulichen Gegebenheiten keine Möglichkeit bieten, Kühleinrichtungen
zu integrieren, etwa Bohrungen oder Kanäle für ein strömendes Wärmeträgermedium. Derartige Bohrungen
der Kanäle
führen
nicht nur zu einer Beeinträchtigung
der Tragfähigkeit
hoch belasteter Bauteile, sondern-führen auch zu einer Verteuerung
der maschinellen Einrichtung.
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Im
Hinblick hierauf liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Wärmeaustauschvorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die sich durch einfache Bauweise auszeichnet, nichts
desto weniger jedoch einen gezielten Wär meübergang an gewünschten Stellen
ermöglicht,
d. h. möglichst
nahe an einem Ort der Wärmeerzeugung
oder an einer Übergangsstelle zu
einer thermisch empfindlichen Baugruppe.
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Erfindungsgemäß ist diese
Aufgabe durch eine Wärmeaustauschvorrichtung
gelöst,
die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Danach
sieht die Erfindung ein Plattenelement in der Art einer flexiblen
Kühlmanschette
(oder analogerweise einer Wärmemanschette,
worauf unten noch näher
hingewiesen wird) vor, die sich an die zu kühlenden (oder zu erwärmenden)
Maschinenteile anschmiegt und durch das flexible Anschmiegen eine große Kontaktfläche für den Wärmeübergang
bildet. Dadurch wird eine örtliche
Kühlung
auch an Bauteilen ermöglicht,
in die sich interne Kühlsysteme
nicht integrieren lassen. Als besonderer Vorteil kommt hinzu, dass
die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch nachträglich
angebaut werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann baukastenartig
aufgebaut, flexibel vergrößert oder
verkleinert werden, indem eine gewünschte Anzahl von Plattenelementen
oder Manschetten angebracht und untereinander verbunden werden,
wobei die Verbindung als Parallel- oder Reihenschaltung erfolgen
kann.
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Bei
vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann
das Formteil aus einem Elastomer, vorzugsweise aus Nitrilkautschuk
NBR, gebildet sein. Ein derartiges Formteil weist einerseits die
gewünschte
Flexibilität
auf und ist andererseits gegen übliche
Wärmeträgermedien
beständig,
beispielsweise gegen Wasser-Glykol und Wasser mit Korrosionsschutzmittel. Außerdem ist
Beständigkeit
auch gegen weitere in der Umgebung von maschinellen Anlagen anzutreffende
Fluide, wie Öl,
gegeben.
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Die
bodenseitige Bahn, die am Formteil den Hohlraum für das Wärmeträgermedium
dicht abschließt
und die Kontaktfläche
für den
Wärmeaustausch
bildet, ist durch eine im Vergleich zu der Wandstärke des
Formteiles dünn
ausgebildete Folie gebildet, vorzugsweise ebenfalls aus Nitrilkautschuk NBR.
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Die
Halteplatte, die auf der Oberseite des Formteiles aufliegt, um auf
dieses eine Druckkraft zum Andrücken
des Plattenelementes an den betreffenden Körper auszuüben, ist vorzugsweise durch eine
dünne Metallplatte
gebildet. Deren Stärke
kann so gewählt
sein, dass sie ein Anpassen des Plattenelementes an die Geometrie
des zu kühlenden
Körpers
von Hand ermöglicht,
gleichzeitig jedoch eine solche Dicke besitzt, dass sie die notwendigen
Anpresskräfte übertragen
kann.
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Die
Anordnung kann so getroffen sein, dass die Wärmeaustauschfläche einen
an den Eckbereichen abgerundeten, rechteckförmigen Umriß besitzt, wobei sich die Halteplatte
unter Freilassung von Öffnungen
in Zugangsbereichen für
Zu- und Abfuhr von Wärmeträgermedium
ganzflächig über die
Wärmeaustauschfläche erstreckt.
Die Manschette hat so die Form einer geschlossenen, flachen Platte,
die im unverformten Zustand eben ist, wobei die ebene Fläche an der
Oberseite lediglich durch Zugangsöffnungen für Zu- und Abfuhr des Wärmeträgermediums
unterbrochen ist.
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Bei
vorteilhaften Ausführungsbeispielen
bildet das Formteil eine Platte mit einem sich entlang des Außenrandes
der Wärmeaustauschfläche durchgehend
erstreckenden, ebenen Dichtungsrand, an dem die bodenseitige Bahn
unter Bildung einer Abdichtung angebracht ist, vorzugsweise durch
Verkleben, wobei die Platte im Bereich innerhalb des Dichtungsrandes
einen von der bodenseitigen Bahn weg versetzten Verlauf besitzt,
um zwischen Platte und bodenseitiger Bahn den inneren Hohlraum zu
bilden. Dadurch erstreckt sich der Raum für das Wärmeträgermedium über den gesamten Flächenbereich
der Platte, abgesehen vom äußeren Dichtungsrand,
so dass in vorteilhafter Weise der Wärmeübergang großflächig und dementsprechend effektiv
erfolgen kann.
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Bei
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen
sind an der der bodenseitigen Bahn zugekehrten Seite der Platte
in den Hohlraum vorspringende Noppen als Abstandhalter zwischen
bodenseitiger Bahn und Platte und zur Erzeugung einer Turbulenz
der Strömung
des Wärmeträgermediums vorgesehen.
Die Noppen, die in großer
Anzahl am Formteil einstückig
ausgebildet sein können,
halten die als bodenseitige Bahn vorgesehene Folie nicht nur in
einem definierten Abstand von der gegenüberliegenden Wand des Hohlraumes,
sondern sorgen durch Turbulenzerzeugung auch für eine gute Durchmischung des
im Hohlraum strömenden
Wärmeträgermediums
und tragen somit ebenfalls zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades bei.
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Vorzugsweise
ist die Anordnung so getroffen, dass die Platte an der Oberseite
angeformte Anschlussstutzen für
Zu- und Abfuhr von Wärmemedium
in den und aus dem Hohlraum aufweist, wobei die Anschlussstutzen
die in der auf der Oberseite anliegenden Halteplatte ausgebildeten
Zugangsöffnungen
durchgreifen. Dadurch sind einfache Anschlussmöglichkeiten für an der
Außenseite
eines betreffenden, zu kühlenden
Körpers
verlaufende Leitungen gegeben, wobei auch Verbindungen zwischen
mehreren Plattenelementen ohne Schwierigkeiten geschaffen werden
können.
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Vorzugsweise
bildet die das Formteil bildende Platte an ihrer Oberseite im Zentralbereich
oberhalb des Hohlraumes eine ebene Anlagefläche für die Halteplatte, wobei an
dem sich längs
der Außenseite
der Wärmeaustauschfläche erstreckenden Dichtungsrand
zumindest ein sich entlang des Randbereiches umlaufend erstreckender,
an der Oberseite vorspringender Wulst ausgebildet ist, um eine Erhöhung der
am Dichtungsrand wirkenden, von der Halteplatte ausgeübten Anpresskräfte zu bewirken.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematisch vereinfacht gezeichnete perspektivische Schrägansicht
eines Ausführungsbeispieles
der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschvorrichtung,
wobei das Plattenelement in einem an einen Wandabschnitt eines zu
kühlenden Körpers angepaßten Zustand
dargestellt ist und wobei der Wandabschnitt des Körpers nur
schematisiert angedeutet ist;
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2 eine
der 1 ähnliche
perspektivische Schrägansicht,
wobei ein Beispiel mit einem gegenüber 1 mehr langgestreckt
ausgebildeten Plattenelement dargestellt ist, das an eine kreiszylindrische
Außenwand
eines Körpers
angepaßt
ist;
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3 eine
perspektivische Schrägansicht,
in der das entsprechend 1 gestaltete Plattenelement
im unverformten Zustand einer ebenen Platte dargestellt ist;
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4 eine
perspektivische Schrägansicht, gesehen
auf die Oberseite lediglich des Formteiles des Plattenelementes
von 3;
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5 eine
perspektivische Schrägansicht, gesehen
auf die Unterseite des Formteiles von 4;
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6 eine
näherungsweise
in halber Größe einer
praktischen Ausführungsform
dargestellte Draufsicht des Ausführungsbeispieles
von 3 bis 5;
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7 einen
näherungsweisen
in natürlicher Größe gezeichneten
Schnitt entlang der Linie VII-VII von 6;
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8 einen
näherungsweise
in natürlicher Größe gezeichneten
Schnitt entsprechend der Schnittlinie VIII-VIII von 6;
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9 einen
Querschnitt des Formteiles entsprechend der Schnittlinie IX-IX von 4,
dargestellt in etwa der 4 entsprechendem Maßstab;
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10 einen
Teilschnitt des in 9 mit X bezeichneten Bezirks,
dargestellt in einem gegenüber
der natürlichen
Größe etwa
verdoppelten Maßstab,
und
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11 eine
in wesentlich kleinerem Maßstab
gezeichnete perspektivische Schrägansicht
des Ausführungsbeispieles,
versehen mit Halteklammern zum Anlegen des Plattenelementes an einen
nicht gezeigten Körper.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand des Beispieles einer Kühlmanschette erläutert, die
in Verbindung mit einem nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf von einem
Wärmeträgermedium
durchströmbar
ist, beispielsweise einem konventionellen Wärmeträgerfluid, etwa Wasser-Glykol
oder Wasser mit Korrosionsschutzmittel. Wie oben bereits kurz angedeutet, könnte die
erfindungsgemäße Austauschvorrichtung auch
als Wärmemanschette
für eine
gezielte örtliche Erwärmung gewünschter
Sektionen eingesetzt werden, wobei dem das Plattenelement an ein
Erhitzersystem angeschlossen ist und durch ein erhitztes Wärmeträgermedium
durchströmt
wird.
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1 und 2 verdeutlichen
Anwendungsbeispiele, bei denen ein eine Kühlmanschette bildendes Plattenelement 1 jeweils
zur Anpassung an einen Wandabschnitt eines Körpers 3 verformt ist, wobei
beim Beispiel von 1 das Plattenelement 1 an
eine abgestufte Außenform
des Körpers 3 angepaßt ist. 2 zeigt
ein Beispiel, bei dem das Plattenelement 1 gegenüber dem Beispiel
von 1 eine stärker
langgestreckte Form besitzt und an einen Wandabschnitt eines kreiszylindrischen
Körpers 3 angeschmiegt
ist. Haltemittel zum Anlegen an den Körper 3 sind in 1 und 2 jeweils
weggelassen, wie auch die Verbindungsleitungen für Zu- und Abfuhr des benutzten,
strömungsfähigen Wärmeträgermediums.
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Hauptbestandteil
des hier zu beschreibenden Ausführungsbeispieles
des Plattenelementes 1, das insbesondere in 3 in
schräger
Draufsicht und in den Schnittdarstellungen von 7 und 8 zur
Gänze gezeigt
ist, ist ein Formteil, gebildet durch eine flexible Platte 5,
die in 4 und 5 gesondert dargestellt ist
und sich ganzflächig über eine Wärmeaustauschfläche erstreckt.
Die Platte 5 hat den Umriß eines Rechtecks mit abgerundeten
Eckbereichen. Wie der Vergleich der 1 und 2 zeigt,
kann zur Anpassung an die Gegebenheiten die Umrißform mehr oder weniger langgestreckt
sein. Die als Formteil fungierende Platte 5 ist beim vorliegenden
Beispiel aus einem Elastomer, im speziellen Fall aus einem Nitrilkautschuk
NBR, geformt. Die Verwendung eines derartigen Werkstoffes ist insofern
vorteilhaft, als sowohl eine ausreichende Flexibilität für ein Anpassen
und Anschmiegen des Plattenelementes 1 an entsprechende
Konturen gegeben ist, als auch eine Isolationswirkung nach außen und Beständigkeit
gegen in Frage kommende Fluide gegeben sind. Wenn das Plattenelement 1 als
Formteil mit einer Wandstärke
etwa im Bereich von 3 bis 5 Millimeter ausgebildet ist, ergibt sich
außerdem
die notwendige Druckfestigkeit, beispielsweise für Mediendrücke von etwa 2 Bar.
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Wie
am deutlichsten aus 4, 7 und 8 zu
ersehen ist, hat die Platte 5 an ihrer Oberseite zueinander
versetzte, jeweils ebene Wandbereiche, nämlich einen sich über den
Großteil
der Plattenfläche
erstreckenden Zentralteil 7 und einen diesen umgebenden
Dichtungsrand 9. Wie insbesondere 7 und 8
zeigen, ist der ebene Zentralteil 7 gegenüber dem
umgebenden Dichtungsrand 9 in der Weise versetzt, dass
zwischen der durch die Unterseite des Dichtungsrandes 9 definierten
Ebene und der Unterseite des Zentralteiles 7 ein Abstand
gebildet ist. So entsteht, wenn als bodenseitiger Abschluss an der
Unterseite des Dichtungsrandes 9 ein dichter Abschluss
durch eine bodenseitige Bahn 11 gebildet wird, beim Ausführungsbeispiel
eine Folie, die mit der Unterseite des Dichtungsrandes 9 verklebt
ist, dann ergibt sich im Abstandbereich zwischen Unterseite des
Zentralteiles 7 und der Bahn 11 ein Hohlraum 13,
der als Strömungskammer
für das betreffende
Wärmeträgermedium
dient. An der Unterseite des Zentralteiles 7 der Platte 5 ist
eine Vielzahl von Noppen 15 angeformt, die in den Fig.
nicht sämtliche
beziffert sind und innerhalb des Hohlraumes 13 in Richtung
auf die Bahn 11 vorstehen. Diese Noppen 15 bilden
sowohl Abstandselemente, die die Bahn 11 in einem gleichbleibenden
Abstand von der gegenüberliegenden
Wand des Hohlraumes 13 halten, so dass die Bahn 11 bei
unverformter Platte 5 in einer gemeinsamen Ebene mit der
Unterseite des Dichtungsrandes 9 verläuft, sondern die Noppen 15 verursachen
auch eine Turbulenz in der Strömung des
Wärmeträgermediums
innerhalb des Hohlraumes 13, was eine gute Durchmischung
und eine Erhöhung
des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung bewirkt.
An der Unterseite des Dichtungsrandes 9 ist die Bahn 11 zusätzlich zu
der Verklebung mittels strangförmiger,
in der Zeichnung nicht dargestellter Dichtelemente abgedichtet,
die in Nuten 17 sitzen, die an der Unterseite des Dichtungsrandes 9 umlaufend
ausgebildet sind.
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Auf
der Längsmittellinie
der Rechteckform der Platte 5 gelegen, sind an beiden an
den Dichtungsrand 9 angrenzenden Endbereichen des Hohlraumes 13,
also im Übergangsbereich
zwischen Zentralteil 7 und Dichtungsrand 9, Anschlussstutzen 19 einstückig mit
der Platte 5 ausgebildet, die sich beim gezeigten Beispiel
senkrecht zur Plattenebene erstrecken. Je nach örtlichen Gegebenheiten und
Anschlussbedingungen könnten
derartige Anschlussstutzen jedoch auch in anderer Neigung gegenüber der
Plattenebene vorgesehen oder abgebogen oder abgewinkelt ausgebildet
sein. Bei der über
die Plattenfläche
im wesentlichen gleichbleibenden Wandstärke des durch die Platte 5 gebildeten
Formteiles ergibt sich dadurch, dass der Zentralteil 7 zur
Bildung des Hohlraumes 13 gegenüber der Wärmeaustauschfläche versetzt
ist, die durch die an der Unterseite des Dichtungsseite 9 anliegende
Bahn 11 definiert ist, eine Stufe zwischen der Oberseite
des Zentralteiles 7 und der Oberseite des Dichtungsrandes 9, wie
dies am deutlichsten aus 7 bis 9 ersichtlich
ist. Als Bestandteile einer Halteeinrichtung zum Andrücken des
als Kühlmanschette
dienenden Plattenelementes 1 an den betreffenden Körper 3 ist
eine Halteplatte 21 in Form einer Blechplatte vorgesehen, deren
Wandstärke
so gewählt
ist, dass eine manuelle Verformung zur Anpassung des Plattenelementes 1 an
die Außenkontur
des betreffenden Körpers 3 möglich ist.
Die Halteplatte 21, die sich flächengleich mit der Platte 5 über die
gesamte Wärmeaustauschfläche erstreckt,
weist auf die Anschlussstutzen 19 ausgerichtete Öffnungen 23 für den Durchtritt
der Stutzen auf. Die auf der Oberseite des ebenen Zentralteiles 7 aufliegende
Halteplatte 21 ermöglicht
die Übertragung
einer Anpresskraft auf die Platte 5, beispielsweise mit
Hilfe von den Rand der Halteplatte 21 übergreifenden Halteklammern 25 (11).
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Für sicheren
Betrieb ist darauf zu achten, dass die über die Halteplatte 21 erzeugte
Anpresskraft insbesondere am Dichtungsrand 9 wirksam ist. Da
die Oberseite des Dichtungsrandes 9, wie bereits erwähnt, gegenüber der
Ebene der Oberseite des Zentralteiles 7 abgestuft ist,
also gegenüber
der auf dem Zentralteil 7 aufliegenden Ebene der Halteplatte 21 versetzt
ist, befindet sich zwischen Oberseite des Dichtungsrandes 9 und
der zugewandten Unterseite der Halteplatte 9 ein Randkörper 27,
der einen Distanzkörper
darstellt, über
den die Anpresskraft von der Halteplatte 21 auf den Dichtungsrand 9 übertragen
wird, siehe 7 und 8.
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Als
zusätzliches
besonderes Mittel zur Erhöhung
des am Dichtungsrand 9 wirkenden Anpressdruckes sind an
der Oberseite der Platte 5 zwei gegen die Halteplatte 21 vorstehende
Ringwülste 29 und 31 ausgebildet,
deren Lageanordnung am deutlichsten aus der stark vergrößert gezeichneten
Detaildarstellung von 10 entnehmbar ist. Bei wirkender, über die
Halteplatte 21 und den Randkörper 27 ausgeübter Anpresskraft
und der Nachgiebigkeit der als Formteil aus einem Elastomer bestehenden Platte 5 sind
die Wülste 29, 31 im
Betriebszustand des Plattenelementes 1 flachgedrückt, siehe 8. Wie 7 zeigt,
ist lediglich ein kurzer Längenabschnitt
des Ringwulstes 29 im Bereich der Öffnungen 23 für die Anschlussstutzen 19 freiliegend
und an dieser Stelle daher nicht flachgedrückt.
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Wie
bereits erwähnt,
ist bei einer Wandstärke
der als Formteil dienenden Platte 5, die bei praktischen
Beispielen etwa im Bereich zwischen 3 und 5 Millimeter liegen kann,
sowohl eine ausreichende Druckfestigkeit gegeben, wenn es sich um
ein Elastomer, etwa NBR, handelt, als auch eine Verformbarkeit gegeben,
so dass das Plattenelement 1 durch Verformen der Halteplatte 21 an
den betreffenden Körper 3 anpassbar
ist. Die Flexibilität
des Plattenelementes 1 wird auch durch das bodenseitige,
die Kontaktfläche
bildende Abschlusselement nicht beeinträchtigt, da es sich beim vorliegenden
Beispiel um eine flexible Bahn 11 handelt, die folienartig
dünnwandig
sein kann, beispielsweise in Form einer NBR-Folie.
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Das
gesamte Plattenelement 1 kann, um den Wärmeübergang zu begünstigen,
mittels Wärmeleitpaste
auf einen betreffenden Körper 3 aufgebracht werden.