Hydac System GmbH, Industriegebiet, 66280 Sulzbach/Saar

Wärmeaustauschvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauschvorrichtung mit einem Plattenelement, das ein sich über eine Wärmeaustauschfläche erstreckendes Formteil aufweist.

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.

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 War-

meübergang an gewünschten Stellen ermöglicht, d. h. möglichst nahe an einem Ort der Wärmeerzeugung oder an einer übergangsstelle zu einer thermisch empfindlichen Baugruppe.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Wärmeaustauschvorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

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 unterein- ander verbunden werden, wobei die Verbindung als Parallel- oder Reihenschaltung erfolgen kann.

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 Was- ser-Glykol und Wasser mit Korrosionsschutzmittel. Außerdem ist Beständigkeit auch gegen weitere in der Umgebung von maschinellen Anlagen anzutreffende Fluide, wie öl, gegeben.

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.

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.

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.

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.

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.

Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, dass die Platte an der Ober- seite 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 Lei- tungen gegeben, wobei auch Verbindungen zwischen mehreren Plattenelementen ohne Schwierigkeiten geschaffen werden können.

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.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

- Fig. 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 schemati- siert angedeutet ist;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche perspektivische Schrägansicht, wobei ein Beispiel mit einem gegenüber Fig. 1 mehr langgestreckt ausgebildeten Plattenelement dargestellt ist, das an eine kreiszylindrische Außenwand eines Körpers angepaßt ist; - Fig. 3 eine perspektivische Schrägansicht, in der das entsprechend Fig. 1 gestaltete Plattenelement im unverformten Zustand einer ebenen Platte dargestellt ist;

- Fig. 4 eine perspektivische Schrägansicht, gesehen auf die Oberseite lediglich des Formteiles des Plattenelementes von Fig. 3; - Fig. 5 eine perspektivische Schrägansicht, gesehen auf die Unterseite des Formteiles von Fig. 4;

- Fig. 6 eine näherungsweise in halber Größe einer praktischen Ausführungsform dargestellte Draufsicht des Ausführungsbeispieles von Fig. 3

Fig. 7 einen näherungsweisen in natürlicher Größe gezeichneten Schnitt entlang der Linie VII-VII von Fig. 6;

Fig. 8 einen näherungsweise in natürlicher Größe gezeichneten Schnitt entsprechend der Schnittlinie VIII-VIII von Fig. 6; - Fig. 9 einen Querschnitt des Formteiles entsprechend der Schnittlinie IX- IX von Fig. 4, dargestellt in etwa der Fig. 4 entsprechendem Maßstab; Fig. 10 einen Teilschnitt des in Fig. 9 mit X bezeichneten Bezirks, dargestellt in einem gegenüber der natürlichen Größe etwa verdoppelten Maßstab, und - Fig. 1 1 eine in wesentlich kleinerem Maßstab gezeichnete perspektivische Schrägansicht des Ausführungsbeispieles, versehen mit Halteklammern zum Anlegen des Plattenelementes an einen nicht gezeigten Körper.

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 er- findungsgemäße 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.

Fig. 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 Fig. 1 das Plattenelement 1 an eine abgestufte Außenform des Körpers 3 angepaßt ist. Fig. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem das Plattenelement 1 gegenüber dem

Beispiel von Fig. 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 Fig. 1 und 2 jeweils weggelassen, wie auch die Verbindungsleitungen für Zu- und Abfuhr des benutz- ten, strömungsfähigen Wärmeträgermediums.

Hauptbestandteil des hier zu beschreibenden Ausführungsbeispieles des Plattenelementes 1, das insbesondere in Fig. 3 in schräger Draufsicht und in den Schnittdarstellungen von Fig. 7 und 8 zur Gänze gezeigt ist, ist ein Formteil, gebildet durch eine flexible Platte 5, die in Fig. 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 Fig. 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.

Wie am deutlichsten aus Fig. 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 Fig. 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 Ab- Schluss 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 betreffen- de 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 1 1 in einem gleichbleibenden Abstand von der gegenüberlie- genden Wand des Hohlraumes 13 halten, so dass die Bahn 11 bei unver- formter 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 Wirkungs- grades der Wärmeübertragung bewirkt. An der Unterseite des Dichtungsrandes 9 ist die Bahn 11 zusätzlich zu der Verklebung mittels strangförmi- ger, in der Zeichnung nicht dargestellter Dichtelemente abgedichtet, die in Nuten 17 sitzen, die an der Unterseite des Dichtungsrandes 9 umlaufend ausgebildet sind.

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 1 1 definiert ist, eine Stufe zwischen der Oberseite des Zentralteiles 7 und der Oberseite des Dichtungsrandes 9, wie dies am deutlichsten aus Fig. 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 Anpas- sung 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 (Fig. 11).

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 Fig. 7 und 8.

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 De- taildarstellung von Fig. 10 entnehmbar ist. Bei wirkender, über die Halte- platte 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 Fig. 8. Wie Fig. 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.

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 vorliegen- den Beispiel um eine flexible Bahn 11 handelt, die folienartig dünnwandig sein kann, beispielsweise in Form einer NBR-Folie.

Das gesamte Plattenelement 1 kann, um den Wärmeübergang zu begünstigen, mittels Wärmeleitpaste auf einen betreffenden Körper 3 aufgebracht werden.