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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung und ein Verfahren zum Aufheizen oder Abkühlen eines Fluids nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 15.
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Ein Wärmetauscher dient dazu, thermische Energie auf ein Fluid zu übertragen oder sie dem Fluid zu entziehen. Dadurch wird das Fluid auf eine gewünschte höhere oder niedrigere Temperatur gebracht. Ein wichtiger Anwendungsfall ist eine Hochleistungsheizvorrichtung, die ein Fluid mit erheblicher Heizleistung auf hohe Temperaturen aufheizt.
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Nach einem bekannten Konzept wird der Fluidstrom an mehreren Temperierelementen, also Heiz- oder Kühlelementen vorbeigeführt. Die Temperierelemente können direkt als elektrische Heizung oder dergleichen ausgebildet sein. Alternativ werden sie ihrerseits von einem Wärme- oder Kältemittel durchströmt. Für eine hohe Übertragung sollte die Kontaktfläche zwischen Fluid und Temperierelement möglichst groß sein. Einen wesentlichen Einfluss für einen Wärmetauscher nehmen die Strömungsverhältnisse, die nicht nur die Wärmeübertragung gewährleisten, sondern auch möglichst nur einen geringen Druckabfall verursachen sollen.
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Die
DE 10 2011 015 215 A1 offenbart einen Wärmetauscher mit zylindrischer Strömungskammer, die längs von mehreren Temperaturelementen durchsetzt ist. Das Fluid wird mit Hilfe von Leitplatten wie auf einer Wendeltreppe durch die Strömungskammer geführt.
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Aus der
DE 10 2015 102 311 A1 ist ein Rohrbündelwärmeübertrager bekannt. Ausgangspunkt ist dort ein seitliches Ein- und Ausleiten des Mediums, das in der Kammer etagenweise hin- und herströmt. Das wird dann aber verworfen und anders gelöst. Auch die
EP 1 938 036 B1 zeigt zunächst einen ähnlichen Aufbau, geht dann aber auf komplexere geteilte Strömungen über. Mit den zahlreichen Rohren solcher Rohrbündelwärmeübertrager sind ein einfacher Aufbau und eine günstige Strömung ohnehin nicht zu erreichen.
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Die bekannten Lösungen haben somit Nachteile in Bezug auf Herstellungskosten, Platzbedarf und Strömungsverlauf.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauschvorrichtung mit verbesserter Strömungsführung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmetauschvorrichtung und ein Verfahren zum Aufheizen oder Abkühlen eines Fluid nach Anspruch 1 beziehungsweise 15 gelöst. Das zu heizende oder kühlende Fluid strömt in einer zylinderförmigen Kammer. Darin befinden sich mehrere langgestreckte Temperierelemente, insbesondere Heizstäbe, die axial in der Kammer und damit parallel zueinander angeordnet sind und die das vorbeiströmende Fluid kühlen oder heizen. Mehrere Leitplatten, deren Geometrie vorzugsweise im Wesentlichen dem Querschnitt der Kammer entspricht, teilen die Kammer in mehrere übereinander geschichtete Teilkammern, die gleichsam Etagen in der Kammer parallel zu deren Grundfläche bilden. Am Außenumfang der Leitplatten ist jeweils eine Strömungsöffnung vorgesehen, durch die das Fluid von einer Teilkammer in die nächste strömt, so dass sich mehrere Strömungsschichten bilden. Die Strömungsöffnungen sind alternierend an gegenüberliegenden Seiten der Leitplatten angeordnet, so dass das Fluid von Teilkammer zu Teilkammer radial hin- und herströmt, jeweils grob dem Durchmesser durch den Querschnitt der Kammer folgend und beim jeweiligen Übergang in die benachbarte Teilkammer in die Gegenrichtung wechselnd.
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Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dem Fluid aus dessen Sicht in einer mittleren oder Hauptströmungsrichtung eine nicht symmetrische Anordnung von Temperierelementen zu bieten. Dazu denkt man sich eine Verbindungslinie der alternierend auf der radialen Gegenseite angeordneten Strömungsöffnungen benachbarter Leitplatten. Bezüglich dieser Verbindungslinie liegen erfindungsgemäß die Temperierelemente nicht symmetrisch, die Verbindungslinie ist demnach keine Symmetrieachse der Anordnung der Temperierelemente. Dabei dürfen die Temperierelemente an sich durchaus eine symmetrische Anordnung bilden, das ist sogar vorzugsweise der Fall. Die Symmetrieachse stimmt aber gezielt nicht mit der Verbindungslinie überein, beide sind insbesondere gegeneinander verdreht. Diese Betrachtung bezieht sich auf einen Querschnitt durch die Kammer entsprechend einer Leitplatte. Der axiale Versatz der Strömungsöffnungen soll hier keine Rolle spielen, beziehungsweise es wird auf denselben Querschnitt projiziert. Räumlich besteht keine Spiegelsymmetrie zu einer Achse, sondern zu einer entsprechenden axial ausgerichteten Ebene.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Temperierung unterschiedlicher Medien bei Übertragung hoher Wärmemengen ermöglicht, insbesondere eine hohe Heizleistung erzielt wird. Dabei wird trotz kompakter, kostenoptimierter Bauform mit einem Strömungsweg auf im Vergleich zur Größe der Temperierelemente engstem Raum eine effiziente, homogene Übertragung erreicht. Die Strömungsverhältnisse sind optimiert, der Druckabfall bleibt gering. Fehlfunktionen und starke Alterung der Temperierelemente werden vermieden.
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Ein Temperierelement verläuft bevorzugt durch eine jeweilige Strömungsöffnung. Das können mehrere Temperierelemente sein, vorzugsweise befindet sich genau ein Temperierelement zumindest teilweise in einer jeweiligen Strömungsöffnung. Es ist zu beachten, dass in den gegenüberliegenden Strömungsöffnungen unterschiedliche Temperierelemente liegen, da ja die Temperierelemente langgestreckt und nicht gekrümmt sind. In der Strömungsöffnung zu der jeweils übernächsten Teilkammer sind es dann wieder dieselben Temperierelemente. Indem mindestens ein Temperierelement zumindest teilweise in der Strömungsöffnung liegt, bleibt das Fluid beim Wechsel von einer Teilkammer in die nächste in Kontakt mit einem Temperierelement, so dass auch in diesem Teilabschnitt der Strömung eine Wärmeübertragung stattfindet. In diesem Zusammenhang lässt sich auch die erfindungsgemäße, nicht symmetrische Anordnung der Temperierelemente noch einmal in anderen Worten ausdrücken. Demnach strömt das Fluid in der Strömungsöffnung weder ein mittig liegendes Temperierelement an noch zentral zwischen zwei Temperierelementen hindurch. Die Anordnung der Temperierelemente ist, mit dem Fluid strömend, auf der linken Seite anders als auf der rechten Seite. Nochmals anders ausgedrückt wird zwar das Temperierelement in der Strömungsöffnung angeströmt beziehungsweise umströmt, aber diese Strömung ist rechts- oder linkslastig.
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Vorzugsweise sind Temperierelemente ringförmig und gleichmäßig um eine Mittenachse der Kammer angeordnet. Das ist erneut eine Beschreibung in einer Querschnittbetrachtung. Bevorzugter gibt es genau einen Ring von Temperierelementen, wobei ein weiteres Temperierelement auf der Mittenachse möglich ist. Besonders bevorzugt ist eine ringförmige, gleichmäßige Anordnung von fünf Temperierelementen, die demnach eine Pentagrammanordnung bilden, möglicherweise mit einem sechsten Temperierelement im Zentrum.
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Der Durchmesser der Ringanordnung ist bevorzugt größer als der halbe Durchmesser und/oder kleiner als drei Viertel des Durchmessers der Kammer, beträgt insbesondere etwa zwei Drittel des Durchmessers der Kammer. Das unterstützt die optimierte Strömungsführung. Als Zahlenbeispiel hat die Kammer einen Durchmesser von 66 mm und die Ringanordnung einen Durchmesser von 42 mm entsprechend dem genannten besonders bevorzugten Verhältnis von zwei Drittel.
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Bevorzugt ist eine Symmetrieachse der Anordnung der Temperierelemente gegenüber der Verbindungslinie um ein Viertel des Winkelabstands der Temperierelemente um die Mittenachse der Kammer verdreht. Erneut ist dies in einem Querschnitt der Kammer beschrieben. Eine nicht erfindungsgemäße symmetrische Anordnung läge vor, wenn anstelle eines Viertels gar nicht oder um eine Hälfte des Winkelabstands der Temperierelemente verdreht würde. Jede andere Verdrehung führt ebenfalls zu einem Bruch der Symmetrie, aber das genannte Viertel ist besonders vorteilhaft. Es sei erwähnt, dass ein Verdrehen um ein Viertel einem Verdrehen um drei Viertel in der Gegenrichtung entspricht, das wird hier nicht weiter unterschieden.
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Insbesondere ist bei einer Pentagrammordnung die Symmetrieachse gegenüber der Verbindungslinie um 18° verdreht, oder gleichbedeutend um 54°. Denn fünf gleichmäßig über einen Ring verteilte Temperierelemente haben den Winkelabstand 72°, und ein Viertel davon ist 18°, beziehungsweise drei Viertel davon sind 54°. Symmetrisch und nicht erfindungsgemäß dagegen wäre die Anordnung der Temperierelemente bei einem Verdrehen um 0° oder um 36°, wo dann der Strömungsweg genau mittig auf ein Temperierelement der Ringanordnung oder genau mittig zwischen zwei Temperierelementen der Ringanordnung hindurch führen würde.
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Die Form der Strömungsöffnung entspricht vorzugsweise dem Abschneiden der Leitplatte an einer Sekante. Diese Geometrie lässt sich auch praktisch durch eine entsprechende Abtrennung der Leitplatte an der Sekante herstellen. Der ansonsten kreisförmigen Leitplatte fehlt das entsprechende Kreissegment am Außenumfang, und dort entsteht eine geeignete Strömungsöffnung.
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Vorzugsweise stehen Verbindungslinie und Sekante senkrecht zueinander. Die Sekante steht damit auch nicht senkrecht zu einer Symmetrieachse der Anordnung der Temperierelemente, sondern ist dagegen verdreht, insbesondere um die oben diskutierten Winkel. Mit einer derartigen Strömungsöffnung wird dem Fluid ein Strömungsweg zwischen den Teilkammern vorgegeben, das die nicht symmetrische Anordnung der Temperierelemente vorteilhaft nutzt, es entstehen also besonders günstige Strömungsverhältnisse.
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Die Sekante verläuft bevorzugt parallel zu einer Symmetrieachse der Anordnung der Temperierelemente. Das hat den Vorteil, dass eine Leitplatte einfach auf ihre andere Seite gewendet werden kann. Es können also gleichartige Leitplatten alternierend eingesetzt werden, es ist nicht erforderlich, zwei Sätze von unterschiedlichen Leitplatten zu fertigen und einzubauen. Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang die oben genannten Verdrehungen um ein Viertel beziehungsweise drei Viertel des Winkelabstands der Temperierelemente, denn diese Verdrehungen bleiben beim Wenden erhalten.
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Die Leitplatte weist bevorzugt Durchführungslöcher für die Temperierelemente auf, von denen mindestens eines in die Strömungsöffnung übergeht. Für die bevorzugten Anordnungen der Durchführungslöcher gilt das, was bisher für die Temperierelemente ausgeführt wurde, denn die Durchführungslöcher entsprechen dem Querschnitt der Anordnung der Temperierelemente. Mindestens eines der Durchführungslöcher einer Leitplatte geht vorzugsweise in deren Strömungsöffnung über. Das Temperierelement in diesem Durchführungsloch ist dasjenige, das sich in der Strömungsöffnung befindet und beim Übergang des Fluids von einer Teilkammer zur nächsten Teilkammer umströmt wird. Betrachtet man eine Sekante, welche die Strömungsöffnung begrenzt, so liegen darauf wegen der erfindungsgemäßen nicht symmetrischen Anordnung die darin übergehenden Durchführungslöcher nicht symmetrisch, sondern nach rechts oder links verschoben.
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Vorzugsweise sind baugleiche Leitplatten alternierend in gewendeter Orientierung in Leitplattenhaltern montiert, insbesondere ist durch Vorsprünge und Nuten nur diese alternierende Orientierung montierbar. Es wurde schon erwähnt, dass durch geeignete Geometrie von Durchführungslöchern und Strömungsöffnung die Möglichkeit besteht, dieselbe Leiterplatte in alternierender Orientierung zu verwenden und so mit nur einem Bauteiltyp auszukommen. Die Herstellung der Wärmetauschvorrichtung wird weiter vereinfacht, indem Vorsprünge und Nuten durch asymmetrische Anordnung dazu zwingen, die Leitplatten in der jeweils richtigen Orientierung in ihren Leitplattenhaltern zu montieren, also eine verwechslungssichere Montage vorgesehen ist (Poka-Yoke).
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Das Verhältnis des Durchmesser der Temperierelemente und des Durchmessers der Kammer beträgt vorzugsweise mindestens 1:5 oder 1:4. Dabei wird wie bisher vorzugsweise implizit angenommen, dass die Querschnittsgeometrien gegenüber axialem Versatz in der Kammer invariant sind. Hier bedeutet dies konkret, dass die Temperierelemente überall denselben Durchmesser aufweisen, insbesondere auch untereinander denselben Durchmesser. Die Temperierelemente sind demnach vergleichsweise dick, es bleibt im Querschnitt relativ wenig freie Fläche zwischen den Temperierelementen und damit in der Kammer nur ein kleines freies Strömungsvolumen. Damit soll eine kompakte Bauform und dennoch eine hohe Wärmeübertragung unterstützt werden, und dennoch wird erfindungsgemäß eine optimierte Strömungsführung erreicht. Als Zahlenbeispiel sei ein Durchmesser der Temperierelemente von 16-17 mm bei einem Durchmesser der Kammer von 66 mm genannt.
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Vorzugsweise ist eine ungerade Anzahl Leitplatten vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass die Strömung an derselben Seite des Zylindermantels der Kammer beginnt und endet. Besonders vorteilhaft ist eine Anzahl von fünf Leitplatten. Das hat sich als Optimum zwischen möglichst vielen Leitplatten und damit Strömungsschichten für einen langen Kontakt mit den Temperierelementen einerseits und dem durch engen Abstand zwischen vielen Leitplatten größer werdenden Druckabfall andererseits erwiesen.
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Die Leitplatten weisen vorzugsweise einen Abstand von 15-25 mm, 18-22 mm oder 18,5-19,5 mm zueinander auf. Als Zahlenbeispiel ist dies mit einem Durchmesser der Kammer von 66 mm zu vergleichen. Die Länge der Kammer ergibt sich aus den kumulierten Abständen, die ja die Höhen der Teilkammern vorgeben. Zwischen Deckel und Boden der Kammer ergeben sich entsprechende Teilkammern. Die Abstände und damit Höhen der Teilkammern sollten regelmäßig sein, weil sich sonst unerwünschte Unterschiede in den Strömungen und Druckverhältnissen in den Teilkammern ergeben. Insbesondere hat sich die Wahl des Abstands zwischen den Leitplatten von 19,2 mm als optimal erwiesen, vorzugsweise im Zusammenhang mit den bereits als Zahlenbeispiel genannten weiteren Abmessungen.
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Der Durchmesser der Temperierelemente und der Abstand der Leitplatten zueinander liegen bevorzugt in einer Größenordnung. Der Abstand liegt insbesondere um höchstens 50%, 40%, 30%, 20% oder 10% darüber. Zahlenbeispiele wurden schon genannt, nämlich ein Durchmesser der Temperierelemente von 16 mm bei einem optimalen Abstand von 19,2 mm.
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Die Kammer weist bevorzugt einen seitlichen Einlass und einen seitlichen Auslass für das Fluid auf. Das seitliche Ein- und Ausströmen sorgt dafür, dass die Strömung gleich parallel zu den Leitplatten beginnt und endet, so wie sie auch während des Durchströmens der Kammer weitgehend verläuft. Einlass und Auslass befinden sich vorzugsweise auf derselben Seite, denn das erleichtert den Einbau der Wärmetauschvorrichtung. Wie bereits erwähnt, sollte dazu eine ungerade Anzahl von Leitplatten verwendet werden, bei einer geraden Anzahl endet die Strömung radial gegenüber dem Einlass, so dass dort der Auslass angebracht werden müsste.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit ähnlichen Merkmalen weitergebildet werden, wie sie beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an den unabhängigen Vorrichtungsanspruch anschließenden Unteransprüchen angegeben sind, und zeigt dabei ähnliche Vorteile.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine Explosionsdarstellung einer Wärmetauschvorrichtung;
- 2 einen Längsschnitt einer Wärmetauschvorrichtung zur Erläuterung des Strömungsweges;
- 3 eine dreidimensionale Darstellung einer Anordnung von Leitplatten im Inneren einer Kammer der Wärmetauschvorrichtung;
- 4 eine Draufsicht auf eine Leitplatte;
- 5 eine Ausschnittvergrößerung eines Seitenbereichs einer Leitplatte zum Einhängen in einen Leitblechhalter; und
- 6 eine Schnittansicht der in den Leitblechhalter eingehängten Leitplatten.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Wärmetauschvorrichtung 10. Das zu temperierende Fluid strömt durch eine zylindrischer Kammer 12 beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl mit auf derselben Seite des Zylindermantels oben und unten angeordnetem Einlass 14 und Auslass 16 für das Fluid. Die Kammer 12 wird durch einen Boden 18 mit einem Fühler 20 zur Temperatur- oder Sicherheitsüberwachung und einem Deckel 22 fluiddicht geschlossen.
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Mehrere übereinander geschichtete Strömungsbleche oder Leitplatten 24 werden parallel zu Boden 18 und Deckel 22 und damit koaxial zum Außenmantel der zylindrischen Kammer 12 angeordnet, wodurch die Kammer 12 in eine Vielzahl von übereinanderliegenden Teilkammern unterteilt wird. Sie werden von Leitplattenhaltern 26 in ihrer Position gehalten und über Vorsprünge und Nuten in axialer Richtung fixiert. Boden 18, Deckel 22 und Leitplatten 24 haben eine Geometrie entsprechend dem Querschnitt der vorzugsweise kreiszylindrischen Kammer 12.
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Mehrere langgestreckte oder stabförmige Temperierelemente 28 sind in axialer Richtung durch die Kammer 12 geführt. Eine Fühlerankopplung 30 bindet die Temperierelemente 28 an den Fühler 20 und die Temperaturüberwachung an. Die Temperierelemente 28 werden über Buchsen 32 im Deckel 22 aufgenommen und durch Durchführungslöcher 34 der Leitplatten 24 geführt. Die Leitplatten 24 weisen außerdem jeweils alternierend an gegenüberliegenden Seiten des Außenumfangs eine Strömungsöffnung 36 auf. Jeweils eines der Durchführungslöcher 34a geht in die Strömungsöffnung 36 über.
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Anzahl und Anordnung beziehungsweise Geometrie der Durchführungslöcher 34 entsprechen Anzahl und Anordnung der Temperierelemente 28. Das in Kombination mit der Anzahl und Anordnung der Leitplatten 24 sowie der Geometrie der Strömungsöffnung 36 ist maßgebend für eine optimale Strömungsführung und wird später unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 detailliert erläutert.
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Die Wärmetauschvorrichtung 10 ist vorzugsweise eine Hochleistungsheizpatrone mit einer Heizleistung von mehreren kW, beispielsweise 6 kW. Die Temperierelemente 28 sind dann Stabheizer, die vorzugsweise einer hohen Oberflächenbelastung von > 10 W/cm2 standhalten, wobei die Oberflächentemperatur unter 260° bleibt. Das ermöglicht eine Übertragung der Heizleistung, ohne das Fluid zu vercracken, beispielsweise wenn das Fluid Öl enthält und sich dieses bei zu hoher Temperatur zersetzen würde. Das erhöht die Standzeit des Temperiermediums. Die Viskosität kann bis 50 mm2/s (50 cSt) betragen. Insbesondere kommen folgende Fluide in Betracht: Thermal G,HL30 (Wasser-Glycol), Thermal HS, HY, H5, H10, H20S, HL60, HL80, H250S (Silikon-Basis). Der Betriebstemperaturbereich kann beispielsweise zwischen -90 °C und +250 °C liegen. Der Druckabfall in der Wärmetauschvorrichtung 10 bleibt vorzugsweise unter 100 mbar. Das sind aber alles nur vorteilhafte Beispiele, die Wärmetauschvorrichtung 10 ist ein modulares System mit veränderbarer Heizleistung und in unterschiedlichen Anwendungen einsetzbar. Auch ein Kühlen statt Heizen ist denkbar, beispielsweise indem die Temperierelemente 28 keine Stabheizer sind, sondern darin ein Kühlmedium strömt.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch die Wärmetauschvorrichtung 10, um den Strömungsweg des Fluids zu veranschaulichen. 3 ist eine ergänzende dreidimensionale Ansicht der Anordnung der Leitplatten 24. Hier und im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale, die nicht immer erneut genannt werden. Mittels der Leitplatten 24 entstehen mehrere übereinanderliegende Teilkammern 38 zwischen Leitplatten 24 beziehungsweise zwischen einer Leitplatte und Boden 18 beziehungsweise Deckel 22. Mit Pfeilen in den Strömungsöffnungen 36 ist angedeutet, wie das Fluid von Teilkammer 38 zu Teilkammer in jeweils alternierender Richtung strömt.
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Es entstehen daher mehrere Strömungsschichten mit längerer Verweildauer des Fluids in der Kammer 12 und damit verbesserter Wärmeübertragung zwischen den Temperierelementen 28 und dem Fluid. Dafür besteht direkter Kontakt zwischen der Oberfläche der Temperierelemente 28 und dem Fluid. Erfindungsgemäß sind Anzahl und Anordnung der Temperierelemente 28 sowie der Leitplatten 24 für eine gleichmäßige Strömungsführung und gleichbleibende Strömungsverhältnisse in der Kammer 12 optimiert. Dabei steht für die Strömung des Fluids nur ein relativ kleines Volumen der Kammer 12 zur Verfügung, denn die Temperierelemente 28 nehmen einen beträchtlichen Teil ein, damit eine große Oberfläche zum Wärmeaustausch angeboten werden kann.
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Die Erfinder haben durch Simulationen nachgewiesen, dass die Beaufschlagung und Umspülung der Temperierelemente 28 besser wird, je mehr Leitplatten 24 in der Kammer 12 verbaut werden. Jedoch führen zu viele Leitplatten 24 dazu, dass die Abstände und damit die Höhe der Teilkammern 38 sehr klein werden, was wiederum einen größeren Druckverlust innerhalb der Kammer nach sich zieht. Als Optimum zwischen diesen gegenläufigen Anforderungen hat sich eine Anzahl von fünf Leitplatten 24 wie in den 1-3 auch dargestellt erwiesen.
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Auch wenn von dieser bevorzugten Anzahl fünf abgewichen wird, empfiehlt sich zumindest eine ungerade Anzahl von Leitplatten 24. Dann können die Anschlüsse 14, 16 auf derselben Seite der Kammer 12 platziert werden. Bei einer geraden Anzahl von Leitplatten 24 müssen die Anschlüsse 14, 16 einander nicht nur axial, sondern auch radial gegenüberliegen, und das erschwert den Einbau der Wärmetauschvorrichtung 10 in das übergeordnete System des Fluidkreislaufs.
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Durch Simulationen lässt sich auch der Abstand zwischen den Leitplatten 24 optimieren. Daraus hat sich ein optimaler Abstand von 19,2 mm ergeben. Eine gewisse Toleranz in Bereichen von 18,5-19,5 mm, 18-22 mm oder 15-25 mm lässt zumindest auch noch gute Ergebnisse erwarten. Zum Vergleich hat hier die Kammer einen Durchmesser von 66 mm und eine Länge von 122 mm, die bis auf kleiner Abweichungen für Materialdicken den axial kumulierten Abständen entspricht. Die Temperierelemente 28 wiederum weisen beispielsweise einen Durchmesser von 16 mm auf, so dass es günstig ist, wenn dies mit dem Abstand der Leitplatten 24 in einer Größenordnung liegt beziehungsweise der Abstand den Durchmesser nur um 10%, 20% oder einen ähnlichen Wert übersteigt.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Leitplatte 24 einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauschvorrichtung 10. Die Erfinder haben durch Strömungssimulationen diese maßstabgerecht gezeigte, besonders für eine gute Wärmeübertragung ohne zu großen Druckabfall geeignete Anzahl, Geometrie und Anordnung der Temperierelemente 28 gefunden. Das entspricht der stellvertretend für die Temperierelemente 28 in 4 gezeigten Anzahl, Geometrie und Anordnung der Durchführungslöcher 34 und der Strömungsöffnung 36 der dargestellten Leitplatte 24. Ein Kerngedanke ist die bewusste Abweichung von der Symmetrie, die nun im Einzelnen erläutert wird.
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Die Temperierelemente 28 bilden vorzugsweise einen gleichmäßigen Ring 40 um die Mittenachse 42 der Kammer 12. Ein zusätzliches Temperierelement 28 auf der Mittenachse 42 ist möglich. Als bevorzugte Anzahl sind wie dargestellt sechs Temperierelemente 28 vorgesehen. Davon bilden fünf Temperierelemente 28 eine Ringanordnung, in diesem Fall ein regelmäßiges Fünfeck oder Pentagramm, mit einem weiteren Temperierelement 28 im Zentrum. Der Durchmesser des Rings 40 beträgt in dem optimierten Zahlenbeispiel 42 mm, bei einem Gesamtdurchmesser der Leitplatte 24 und damit der Kammer 12 von 66 m, mit jeweiligem Durchmesser der Temperierelemente 28 beziehungsweise Durchführungslöcher 34 von 16 mm. Etwas verallgemeinert sollte vorzugsweise der Durchmesser des Rings 40 größer als der halbe Gesamtdurchmesser, jedoch höchstens so groß wie drei Viertel des Gesamtdurchmesser der Leitplatte 24 sein, bevorzugt etwa zwei Drittel betragen. Mit diesen Abmessungen wird der relativ geringe für die Strömung verbleibende Freibereich zwischen den Temperierelementen 28 gut aufgeteilt.
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Die am Außenumfang angebrachte Strömungsöffnung 36 für den Wechsel der Strömung des Fluids von einer Teilkammer 38 zur nächsten hat vorzugsweise die Geometrie eines an einer Sekante 44 abgeschnittenen Kreissegments. Das ermöglicht ein gutes Strömungsverhalten und ist außerdem auch fertigungstechnisch durch Entfernen des Kreissegments einfach zu handhaben. Die Sekante 44 verläuft vorzugsweise parallel zu einer Symmetrieachse 46 der Anordnung der Temperierelemente 28.
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Eines der Durchführungslöcher 34a geht in die Strömungsöffnung über. Das bedeutet, dass ein Temperierelement 28 umströmt wird, wenn das Fluid von einer Teilkammer 38 in die nächste wechselt. Dieses Durchführungsloch 34a liegt nicht mittig, sondern ist auf der Sekante 44 zu einer Seite verschoben.
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Die Anordnung der Temperierelemente 28 ist insgesamt symmetrisch beispielsweise zu der in 4 horizontalen Symmetrieachse 46. Allerdings wird diese Symmetrie erfindungsgemäß absichtlich nicht mit den Strömungsöffnungen 36 und damit einer Hauptströmungsrichtung des Fluids ausgerichtet. Das lässt sich beispielsweise über die Orientierung einer Verbindungslinie 48 zwischen den Strömungsöffnungen 36 zweier benachbarter Leitplatten 24 ausdrücken, die in 4 senkrecht verläuft. Diese Verbindungslinie 48 ist gerade keine Symmetrieachse. Die Anordnung der Temperierelemente 28 ist also aus der Symmetrie verdreht. Dem strömenden Fluid bietet sich deshalb aus dessen Sicht eine rechts und links nicht symmetrische Anordnung von Temperierelementen 28.
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Besonders günstig ist es, wenn die Anordnung der Temperierelemente 28 um ein Viertel ihres Winkelabstands aus der Symmetrie verdreht werden. Das ist je nach Drehrichtung das gleiche wie ein Verdrehen um drei Viertel. In der Anordnung der 4 beträgt der Winkelabstand der Temperierelemente ein Fünftel des Vollwinkels, also 360°/5=72°. Ein Viertel davon sind 18°, entsprechend sind drei Viertel in Gegenrichtung 54°, wie dies in 4 auch eingezeichnet ist. Dieser Verdrehwinkel hat gleich zwei Vorteile. Zum einen ergibt sich eine besonders günstige Strömung. Außerdem ist es möglich, die Leitplatten 24 zu wenden und damit baugleiche Leitplatten 24 alternierend einzusetzen wie in 3. Es bleibt beim selben Verdrehwinkel, da jeweils eine Drehung um ein Viertel und eine Drehung um drei Viertel gegeneinander austauschbar sind.
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Die 5 und 6 illustrieren, dass mit baugleichen, alternierend auf die andere Seite gewendeten Leitplatten eine verwechslungssichere Montage erreicht werden kann (Poka Yoke). Dabei zeigt 5 einen seitlichen Ausschnitt der Leitplatte 24. Dort ist ein Vorsprung 50 angebracht, der durch unterschiedliche Abmessungen der darüber und darunter befindlichen Lücken 52a-b gegenüber einem horizontalen Durchmesser der Leitplatte 24 etwas nach oben versetzt ist.
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6 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung der Leitplatten 24 in der Kammer 12. Um das Hin- und Herströmen des Fluids von einer Teilkammer 38 zur nächsten zu ermöglichen, sollen die Leitplatten 24a-b alternierend in der einen Orientierung und der dazu um 180° gewendeten Orientierung in die Leitplattenhalter 26 montiert werden, so wie das in 3 in einer dreidimensionalen Ansicht noch besser zu erkennen ist. Nun weisen die Leitplattenhalter 26 Nuten 54a-b auf, die alternierend jeweils ein Stück nach oben und nach unten versetzt sind. Der jeweilige Vorsprung 50 mit entsprechendem Versatz sorgt bei Eingreifen in die versetzten Nuten 54a-b dafür, dass die Leitplatten 24a-b nur in der richtigen Orientierung montiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011015215 A1 [0004]
- DE 102015102311 A1 [0005]
- EP 1938036 B1 [0005]