DE102019201387A1

DE102019201387A1 - Stapelscheibe für einen Stapelscheibenwärmeübertrager und zugehöriger Stapelscheibenwärmeübertrager

Info

Publication number: DE102019201387A1
Application number: DE102019201387.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dränkow; Thomas Merten
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2020-08-06
Also published as: US20200248967A1; CN111521047A; CN111521047B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stapelscheibe (1) für einen Stapelscheibenwärmeübertrager (2) für ein Kraftfahrzeug,
- mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) und einem Strömungspfad (5), der U-förmig zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) verläuft,
- mit einem erhabenen längsmittig verlaufenden Trennsteg (6), der zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) verläuft und den U-förmigen Strömungspfad (5) bewirkt.
Erfindungswesentlich ist dabei,
dass der Trennsteg (6) zumindest eine U-förmige Ausbuchtung (7) und zumindest einen von dem Trennsteg (6) abstehenden Trennstegabschnitt (8) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stapelscheibe für einen Stapelscheibenwärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Stapelscheibenwärmeübertrager mit zumindest zwei solchen Stapelscheiben.
Stapelscheibenwärmeübertrager sind hinlänglich bekannt und in vielen Anwendungen, wie beispielsweise Chillern, Verdampfern, Ölkühlern, Kondensatoren, etc. eingesetzt. Derartige Stapelscheibenwärmeübertrager besitzen dabei einen Wärmeübertragerblock mit einer Vielzahl aufeinander gestapelter Stapelscheiben, die jeweils einen Einlass und einen Auslass besitzen. Die einzelnen Stapelscheiben sind dabei üblicherweise als Gleichteile ausgebildet und lediglich um eine Hochachse um 180 Grad verdreht aufeinander angeordnet und in diesem Zustand miteinander verlötet. Jede dieser Stapelscheiben besitzt üblicherweise darüber hinaus einen aufgestellten Rand, mit welchem sie mit einem Rand einer darüber und darunter angeordneten Stapelscheibe dicht verlötet ist. Jede Ebene des Stapelscheibenkühlers ist dabei von einem Fluid durchströmt, wobei jeweils eine Ebene mit einem wärmeabgebenden Fluid und eine Ebene mit einem wärmeaufnehmenden Fluid alternierend übereinander angeordnet sind. Um dabei einen möglichst hohen Wärmeübertrag erreichen zu können, ist ein möglichst langer, durch zwei benachbarte Stapelscheiben begrenzter Strömungspfad erwünscht, weshalb oftmals ein erhabener längsmittig verlaufender Trennsteg vorgesehen ist, der einen U-förmigen Strömungspfad in jeder Ebene erzwingt.
Verläuft ein derartiger Trennsteg jedoch lediglich linienartig entlang einer Längsmittelebene, so wird unter Umständen eine vollflächige Durchströmung des Strömungspfades unterwandert, da sich insbesondere in einem direkt benachbart zum Trennsteg verlaufenden Bereich ein geringerer Strömungswiderstand einstellt, der dort für einen erhöhten Volumenstrom sorgt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn beispielsweise eine als Sicke ausgebildete Strömungsleitkontur im Strömungspfad nicht gänzlich bis zum Trennsteg gezogen ist. Wird dabei die als Sicke ausgebildete Strömungsleitkontur in den Trennsteg gezogen, um einen Bypass an dieser Stelle zu vermeiden, erzeugt man jedoch einen Durchbruch im Bereich des Trennsteges, wodurch ein Teil des Fluides eine Abkürzung vom Einlass über den Durchbruch zum Auslass nimmt und dadurch eine Wärmeübertragungsleistung ebenfalls reduziert.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Stapelscheibe der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Bereich eines aus einer Stapelscheibenebene erhabenen Trennsteges, der zur Erzwingung eines U-förmigen Strömungspfades vorgesehen ist, zumindest eine U-förmige Ausbuchtung und zumindest einen von dem Trennsteg abstehenden Trennstegabschnitt vorzusehen, so dass bei um 180 Grad um eine Hochachse zueinander verdrehten und aufeinander gestapelten und miteinander verlöteten Stapelscheiben weder ein trennstegnaher Bypass, noch ein Durchbruch durch den Trennsteg und damit ein Kurzschluss, vorhanden sind. Hierdurch kann das vom Einlass zum Auslass strömende Fluid durch den gesamten U-förmigen Strömungspfad gezwungen und dadurch eine hohe Wärmeübertragungsleistung erreicht werden. Bei zwei aufeinander gestapelten und miteinander verlöteten und zugleich um eine Hochachse senkrecht zu einer Stapelscheibenebene um 180 Grad verdrehten Anordnung der Stapelscheiben zueinander, kann somit erreicht werden, dass jede erhabene U-förmige Ausbuchtung einer Stapelscheibe mit einem nicht erhabenen Umgebungsbereich eines Trennstegabschnitts einer darauf oder darunter angeordneten Stapelscheibe verlötet und dadurch ein durchgehender und dichter Trennsteg erreicht wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind im Bereich des Strömungspfades erhabene Strömungsleitkonturen vorgesehen. Derartige erhabene Strömungsleitkonturen können beispielsweise als Erhebungen ausgebildet sein. Über derartige Strömungsleitkonturen können insbesondere sogenannte „Totwasserbereiche“ vermieden und dadurch eine homogene Durchströmung des Strömungspfades erzwungen werden, wodurch eine besonders hohe Wärmeübertragerleistung erreicht werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind zumindest zwei U-förmige Ausbuchtungen und zwei von dem Trennsteg abstehende Trennstegabschnitte vorgesehen. Hierdurch kann eine nochmals verbesserte dichte Verlötung des Trennsteges inklusive Trennstegabschnitte und U-förmiger Ausbuchtungen zwischen zwei benachbarten Stapelscheiben erreicht werden.
Zweckmäßig sind die U-förmigen Ausbuchtungen auf der einen Seite und die Trennstegabschnitte auf der anderen Seite des Trennsteges angeordnet. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei zwei aufeinander gestapelten Stapelscheiben, die um eine senkrecht zur Plattenebene abstehende Hochachse um 180 Grad gedreht sind, jeder erhabene Trennstegabschnitt einer Stapelscheibe mit einem nicht erhabenen Mittelabschnitt einer U-förmigen Ausbuchtung einer darauf oder darunter angeordneten Stapelscheibe verlötet und dadurch ein durchgehend dichter Trennsteg erreicht wird.
Zweckmäßig ist die Stapelscheibe aus Aluminium oder aus Blech ausgebildet. Besonders die Ausbildung als Blechformteil bietet dabei große fertigungstechnische und auch monetäre Vorteile. Bei einer Ausbildung der Stapelscheibe aus Aluminium können erhöhte Wärmeübertragungsraten erzielt werden, da Aluminium einen hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweist.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Stapelscheibenwärmeübertrager mit zumindest zwei Stapelscheiben gemäß den vorherigen Absätzen auszustatten, wobei die Stapelscheiben alternierend um eine senkrecht zur Stapelscheibenebene verlaufende Hochachse um 180 Grad verdreht aufeinander angeordnet und miteinander verlötet sind, so dass im Bereich des Trennsteges eine durchgängige Verlötung vorhanden ist. Mittels eines derartigen erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmeübertragers können insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme, wie beispielsweise eine unerwünschte Bypassströmung bei einem linearen Trennsteg sowie Durchbrüche bei in den Trennsteg gezogenen Sicken vermieden werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch

1 eine Ansicht von oben auf eine nicht unter die Erfindung fallende Stapelscheibe gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A durch die gemäß der 1 dargestellte Stapelscheibe,
3 eine Ansicht von oben auf eine weitere, nicht unter die Erfindung fallende Stapelscheibe,
4 die gemäß der 3 dargestellte Stapelscheibe mit im Betrieb auftretenden Kurschlüssen,
5 eine Ansicht auf eine erfindungsgemäße Stapelscheibe,
6 eine Ansicht wie in 5, jedoch um 180 Grad um eine senkrecht zur Blattebene stehende Hochachse gedrehte Stapelscheibe.

Entsprechend den 5 und 6 weist eine jeweils dort dargestellte erfindungsgemäße Stapelscheibe 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Stapelscheibenwärmeübertragers 2 einen Einlass 3 sowie einen Auslass 4 und einen Strömungspfad 5 auf, der U-förmig zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 verläuft. Ebenfalls vorgesehen ist ein erhabener, längsmittig verlaufender Trennsteg 6, der zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 verläuft und den U-förmigen Strömungspfad 5 bewirkt. Erfindungsgemäß weist nun dieser Trennsteg 6 zumindest eine U-förmige Ausbuchtung 7, hier zwei U-förmige Ausbuchtungen 7, und zumindest einen von dem Trennsteg 6 abstehenden Trennstegabschnitt 8, hier zwei davon abstehende Trennstegabschnitte 8 auf. Über den erfindungsgemäß ausgebildeten Trennsteg 6 kann eine durchgängige Lötnaht 9 entlang des Trennsteges 6, der Ausbuchtungen 7 und der Trennstegabschnitte 8 erreicht werden, wodurch eine Bypassströmung (vergleiche 1) oder ein Kurzschluss in Form eines Durchbruchs (vergleiche 3 und 4) vermieden werden können.
In der Figurenbeschreibung werden sämtliche nicht unter die erfindungsgemäß fallenden Ausführungsformen mit einem zusätzlichen Apostroph am Bezugszeichen gekennzeichnet. Betrachtet man die nicht unter die Erfindung fallende Stapelscheibe 1' gemäß den 1 und 2, so kann man erkennen, dass diese im Bereich des Strömungspfades 5' angeordnete Strömungsleitkonturen 10' aufweist, die jedoch im Bereich des Trennsteges 6' nicht bis an diesen herangeführt werden. Im Betrieb der Stapelscheibe 1', beispielsweise in einem zugehörigen Stapelscheibenwärmeübertrager 2' eines Kraftfahrzeuges, kommt es somit zwischen den Strömungsleitkonturen 10', die beispielsweise als Sicken ausgebildet sein können, und dem benachbarten Trennsteg 6' zu einer Bypassströmung 11', wobei im Bereich der Bypassströmung 11' ein erhöhter Volumenstrom strömt, der nicht über den normalen Strömungspfad 5' strömt und deshalb dort auch nicht zu einem Wärmeübertrag genutzt werden kann. Eine derartige Bypassströmung 11' reduziert somit die Wärmeübertragungsleistung des Stapelscheibenwärmeübertragers 2' erheblich.
Betrachtet die ebenfalls nicht unter die Erfindung fallenden Stapelscheiben 1' gemäß den 3 und 4, so kann man dort wiederum einen Trennsteg 6' erkennen, wobei jedoch einzelne Strömungsleitkonturen 10', beispielsweise Sicken, mit dem Trennsteg 6' verbunden sind bzw. in diesen übergehen. Werden nun zwei derartige Stapelscheiben 1' um 180 Grad um eine senkrecht zur Blattebene verlaufende Hochachse gedreht aufeinander angeordnet und miteinander verlötet, so kommt es im Bereich derjenigen Strömungsleitkonturen 10', die in den Trennsteg 6' übergehen, zu Lötfehlstellen 12', welche im Betrieb eines mit solchen Stapelscheiben 1' ausgestatteten Stapelscheibenwärmeübertragers 2' zu Durchbrüchen 13' und damit zu einer Kurzschlussströmung des Fluides vom Einlass 3' über den Durchbruch 13' zum Auslass 4' führen. Derartige Kurzschlussströmungen bewirken wiederum ein nicht homogenes Durchströmen des gesamtes Strömungspfades 5' und dadurch eine verminderte Wärmeübertragungsleistung.
Betrachtet man nun die erfindungsgemäßen Stapelscheiben 1 gemäß den 5 und 6, so kann man an diesen erkennen, dass bei einem um 180 Grad um eine senkrecht zur Blattebene stehende Hochachse verdrehte Anordnung zweier Stapelscheiben 1 aufeinander eine durchgängige Lötnaht 9 (im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß den 3 und 4) und zu keiner Bypassströmung 11' (vergleiche 1 und 2) kommt. Hierdurch kann mit äußerst geringen fertigungstechnischen Mitteln eine homogene Durchströmung des Strömungspfades 5 mittels beispielsweise Kühlmittel und damit eine deutlich verbesserte Wärmeübertragerleistung geschaffen werden.
Im Bereich des Strömungspfades 5 sind dabei ähnlich wie in den nicht unter die Erfindung fallenden Stapelscheiben 1' erhabene Strömungsleitkonturen 10 vorgesehen, die beispielsweise als Sicken ausgebildet sein können und eine Verwirbelung bzw. ein gleichmäßiges Durchströmen des Strömungspfades 5 mit Kühlmittel erzwingen. Insbesondere können durch derartige Strömungsleitkonturen 10 sogenannte Totwassergebiete vermieden werden.
Betrachtet man den Trennsteg 6 gemäß den 5 und 6 näher, so kann man erkennen, dass an diesem zwei U-förmige Ausbuchtungen 7 und zwei von dem Trennsteg 6 abstehende Trennstegabschnitte 8 vorgesehen sind, wobei die Trennstegabschnitte 8 im Wesentlichen senkrecht zum Trennsteg 6 abstehen. Selbstverständlich kann auch eine abweichend von 90 Grad ausgerichtete Anordnung gewählt werden. Die U-Form ergibt sich dabei bei einer Blickrichtung senkrecht zur Blattebene und damit senkrecht zur Ebene der Stapelscheibe 1.
Ebenfalls aus den 5 und 6 zu erkennen ist, dass die U-förmigen Ausbuchtungen 7 auf der einen Seite und die Trennstegabschnitte 8 auf der gegenüberliegenden Seite des Trennsteges 6 angeordnet sind.
Bei einem Verlöten zweier um 180 Grad um eine Hochachse zueinander verdrehter Stapelscheiben aufeinander wird erreicht, dass jeder erhabene Trennstegabschnitt 8 einer Stapelscheibe 1 mit einem nicht erhabenen Mittelabschnitt 14 einer U-förmigen Ausbuchtung 7 einer darauf oder darunter angeordneten Stapelscheibe 1 verlötet ist. In gleicher Weise wird auch jede erhabene U-förmige Ausbuchtung 7 einer Stapelscheibe 1 mit einem nicht erhabenen Umgebungsbereich 15 eines Trennstegabschnittes 8 einer darauf oder darunter angeordneten Stapelscheibe 1 verlötet, wodurch insgesamt eine komplett durchgängige Lötnaht 9 im Bereich des Trennsteges 6, der Ausbuchtungen 7 und der Trennstegabschnitte 8 erreicht werden kann, wie dies gemäß den 5 und 6 dargestellt ist. Dies unterscheidet die erfindungsgemäßen Stapelscheiben 1 in erheblichem Ma-ße von den aus dem Stand der Technik bekannten Stapelscheiben 1' gemäß den 1 bis 4, da bei diesen entweder eine unerwünschte und die Wärmeübertragerleistung beeinträchtigende Bypassströmung 11' (vergleiche 1 und 2) oder Kurzschlüsse durch Lötfehlstellen 12' und damit Durchbrüche 13' vorliegen, die ebenfalls zu einer verminderten Wärmeübertragerleistung führen.
Betrachtet man die 5 und 6 weiter, so kann man erkennen, dass sich der Trennsteg 6 von einem Rand 16 einer Kurzseite zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 über maximal 80 % der Länge der Stapelscheibe 1 erstreckt. Über die Länge des Trennsteges 6 kann dabei Einfluss auf den U-förmigen Strömungspfad 5 genommen werden.
Generell kann die Stapelscheibe 1 aus Aluminium oder aus einem Blechformteil ausgebildet sein, wodurch nicht nur eine kostengünstige Fertigung möglich ist, sondern zudem auch eine qualitativ hochwertige und gut wärmeübertragende.
Mit den erfindungsgemäßen Stapelscheiben 1 bzw. dem erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmeübertrager 2 lässt sich somit die Wärmeübertragungsleistung deutlich erhöhen, da eine homogene Durchströmung des Strömungspfades 5 erzwungen werden kann.

Claims

Stapelscheibe (1) für einen Stapelscheibenwärmeübertrager (2) für ein Kraftfahrzeug, - mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) und einem Strömungspfad (5), der U-förmig zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) verläuft, - mit einem erhabenen längsmittig verlaufenden Trennsteg (6), der zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) verläuft und den U-förmigen Strömungspfad (5) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennsteg (6) zumindest eine U-förmige Ausbuchtung (7) und zumindest einen von dem Trennsteg (6) abstehenden Trennstegabschnitt (8) aufweist.
Stapelscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Strömungspfades (5) erhabene Strömungsleitkonturen (10) vorgesehen sind.
Stapelscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Strömungsleitkontur (10) als Sicke ausgebildet ist.
Stapelscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei U-förmige Ausbuchtungen (7) und zumindest zwei von dem Trennsteg (6) abstehende Trennstegabschnitte (8) vorgesehen sind.
Stapelscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die U-förmigen Ausbuchtungen (7) auf der einen Seite und die Trennstegabschnitte (8) auf der gegenüberliegenden Seite des Trennsteges (6) angeordnet sind.
Stapelscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Trennsteg (6) von einem Rand (16) einer Kurzseite zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) über maximal 80% der Länge der Stapelscheibe (1) erstreckt.
Stapelscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelscheibe (1) aus Aluminium oder aus Blech ausgebildet ist.
Stapelscheibenwärmeübertrager (2) mit zumindest zwei Stapelscheiben (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stapelscheiben (1) alternierend um eine Hochachse um 180° verdreht aufeinander angeordnet und miteinander verlötet sind, so dass im Bereich des Trennsteges (6) eine durchgängige Lötnaht (9) vorhanden ist.
Stapelscheibenwärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Trennstegabschnitt (8) einer Stapelscheibe (1) mit einem nichterhabenen Mittelabschnitt (14) einer U-förmigen Ausbuchtung (7) einer darauf oder darunter angeordneten Stapelscheibe (1) verlötet ist.
Stapelscheibenwärmeübertrager nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede U-förmigen Ausbuchtung (7) einer Stapelscheibe (1) mit einem nichterhabenen Umgebungsbereich (15) eines Trennstegabschnitts (8) einer darauf oder darunter angeordneten Stapelscheibe (1) verlötet ist.