Die Erfindung betri f ft einen Wärmeübertrager, vorzugsweise einen Mikrowärmeübertrager mit einer ersten Hochdruck-Kanalgruppe und einer zweiten Niederdruck-Kanalgruppe mit j eweils einer Viel zahl von Kanälen in einem Folienstapel gemäß dem ersten Patentanspruch . Der Wärmeübertrager ist vorzugsweise ein Gleich- , Gegen- oder Kreuzstrommikrowärmeübertrager .

Wärmeübertrager der eingangs genannten Art sind in der Technik allgemein bekannt . Sie weisen einen Wärmeübertragungsbereich auf , in dem ein Fluidstrom in einer Kanalgruppe durch einen Fluidstrom in einer anderen Kanalgruppe temperiert wird . Jede der Kanalgruppen weist eine Viel zahl vorzugsweise über ihre gesamte Länge parallel verschalteter und vorzugsweise auch parallel verlaufender Kanäle auf . Vorzugsweise sind die Kanäle j e Kanalgruppe parallel zueinander und vorzugsweise geradlinig auf einer Ebene angeordnet . Üblicherweise sind die beiden Kanalgruppen mit oder ohne Zwischenlagen ohne Kanäle ebenenweise abwechselnd angeordnet , d . h . eine Kühlung oder Aufhei zung des Fluidstroms erfolgt durch Wärmeübertragung an den überlappenden Bereichen der beiden Kanalgruppen zueinander, die damit die Wärmeübertragungsbereiche bilden . Die Gesamtheit der Kanäle einer Kanalgruppe bildet für sich vorzugsweise eine Passage durch den Wärmeübertrager .

In der DE 37 09 278 C2 werden beispielhaft Mikrowärmeübertrager sowie deren Herstellung of fenbart , bei dem die Mikrokanäle ebenenweise als eine Viel zahl paralleler Rillen einseitig in Metall folien eingearbeitet sind . Die Folien werden anschliessend aufeinandergelegt und durch Kleben, Löten oder Schweißen miteinander verbunden, wobei die mit Rillen strukturierten Folienseiten j eweils an einer der benachbarten Folien anliegen . Eine Ausgestaltung sieht dabei vor, die Rillen durch eine unstrukturierte Folienseite abzudecken . Alternative Ausgestaltungen sehen Mikrokanäle vor, deren Querschnitte sich aus Rillen in zwei benachbarte Folien erstrecken, wobei die j eweils außenliegenden Folienoberflächen dieser beiden Folien unstrukturiert verbleiben . Of fenbart werden Wärmeübertrager mit einer Parallelausrichtung aller Mikrokanäle , d . h . als Gleich- oder Gegenstromwärmeübertrager, als auch Kreuzstrommikrowärmeübertrager, mit sich kreuzweise nach Kanalgruppe abwechselnd um bevorzugte 90 ° verdreht gestapelten Folien . Die Rillen und Kanäle der of fenbarten Mikrowärmeübertrager sind j edoch für alle Kanalgruppen identisch .

Eine der in DE 37 09 278 C2 of fenbarten Ausgestaltungen sieht einen Mikrostrukturwärmeübertrager vor, der aus einem Stapel einseitig strukturierter di f fusionsverschweißter Folien besteht . In den Folien sind j eweils mehrere Mikrokanäle eingearbeitet , die etwa eine halbrunde Form aufweisen . Durch eine Face-to-Face Stapelung zweier spiegelbildlich strukturierter Folien können so nahezu runde Strömungsquerschnitte realisiert werden . Eine weitere Ausgestaltung sieht eine monodirektionale Stapelreihenfolge vor, wobei die halbrunden in die Folien eingearbeiteten Kanalquerschnitte j eweils in einer Richtung of fen sind und durch eine glatte unstrukturierte Oberfläche der benachbarten Folie abgedeckt werden .

Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Wärmeübertrager vorzuschlagen, der sich insbesondere für einen verbesserten Wärmeübergang verschiedener Volumenströme und Drücke in den Kanalgruppen eignet .

Die Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder . Zur Lösung der Aufgabe wird ein Wärmeübertrager mit zwei Kanalgruppen, einer ersten Hochdruck-Kanalgruppe und einer zweiten Niederdruck-Kanalgruppe , mit j eweils einer Viel zahl von Kanälen zwischen j eweils einem Einlauf- und einem Auslaufbereich vorgeschlagen . Folglich bilden die Kanäle eine fluidisch durchgängige Verbindung zwischen den Einlauf- und Auslaufbereichen, wobei j ene j eweils nur mit einer der beiden Kanalgruppen verbunden sind . Die Kanäle j e Kanalgruppe sind dabei in j eweils eigenen Ebenen angeordnet . Die Kanalgruppen sind voneinander fluidseitig getrennt in j eweils eigenen Folien eingebracht . Die Folien sind zu einem Folienstapel zusammengesetzt .

Die Begri f fe der Niederdruck- und Hochdruck-Kanalgruppe beschreiben j eweils eine erste und eine zweite Kanalgruppe , die einschließlich der j eweils zugehörigen Einlauf- und Auslaufbereiche fluidisch voneinander getrennt sind . Die Niederdruck- Kanalgruppe ist dabei lediglich nur für einen geringeren Druck ausgelegt als die Hochdruck-Kanalgruppe , und zwar grundsätzlich unabhängig vom absoluten Druck .

Ein Einlaufbereich ist einer Kanalgruppe oder einem Teil einer Kanalgruppe fluidisch vorgeschaltetes Volumen . Er dient als Verteilerstruktur für ein Fluid von einer in das Volumen einmündenden Fluidquelle (Einlauf ) in die vorgenannte Kanalgruppe oder dem Teil der Kanalgruppe .

Entsprechend zu den Einlaufbereichen ist ein Auslaufbereich einer Kanalgruppe oder einem Teil einer Kanalgruppe fluidisch nachgeschaltetes Volumen, in das die Kanäle ausmünden und in eine Fluidsenke (Auslauf ) weitergeleitet werden .

Pro Kanalgruppe sind j eweils mehrere Einlauf- und Auslaufbereiche vorgesehen, vorzugsweise ebenenweise j eweils einen Einlauf- und Auslaufbereich . Wesentlich ist , dass die Kanäle der ersten Kanalgruppe , der Hochdruck-Kanalgruppe , ebenenweise als Rillen in j eweils mindestens eine erste Folie eines erstes Folienpaars mit zwei flächig aufeinanderliegenden ersten Folien eingearbeitet sind, wobei sich die Rillen ausgehend von einer Auflagefläche der beiden ersten Folien aufeinander in die mindestens eine , vorzugsweise beide ersten Folien erstrecken, aber die beiden ersten Folien nicht durchdringen . Vorzugsweise weist j ede der Rillen j eweils einen halbrunden Querschnitt in beide ersten Folien auf , sodass sich die Rillen beim aneinandersetzen j ener zu einem Kanal mit runden Strömungsquerschnitt zusammensetzen . Eine solche Ausgestaltung weist einen relativ hohen Anteil an Folienmaterial um die Kanäle auf , der wiederum in vorteilhafter Weise eine hohe Formstabilität des Folienpaars auch bei erhöhten Drücken sicherstellt . Dies gilt insbesondere für den vorgenannten runden Strömungsquerschnitt , der zwar eine geringere auf das Kanalvolumen bezogene spezi fische Wandungsoberfläche für eine Wärmeübertragung aufweist , aber ein Maximum an Formstabilität erwarten lässt .

Wesentlich ist auch, dass die Kanäle der zweiten Niederdruck- Kanalgruppe ebenenweise j eweils durch Durchbrüche mit dazwischen angeordneten Stegen, eingearbeitet in j eweils einer, vorzugsweise ebenenweise nur einer zweiten Folie gebildet werden . Die Kanäle durchdringen dabei die Folien in voller Folienstärke und bilden in den Folien beidseitig zunächst of fene Schlitze , die beim Fügen des Folienstapels beidseitig j eweils durch eine erste Folie eines ersten Folienpaars oder eine Abschluss folie abgedeckt werden . Diese durchbrochenen Folien stellen somit einen Rahmen um die Schlitze dar, wobei die einzelnen Kanäle durch die Schlitze gebildet werden und in einer Ebene durch Stege voneinander getrennt sind . Eine solche Ausgestaltung zeichnet sich durch einen geringeren Anteil an Folienmaterial um die Kanäle als bei der Hochdruck-Kanalgruppe aus . Dies begünstigt die Realisierung möglichst großer Strömungsquerschnitte einerseits und aufgrund der Einbindung gleich beider angrenzenden Folien in die Kanalwandungen kurze Wärmeübertragungswege und große spezi fische Wärmeübertragungsflächen ( im Verhältnis zum Kanalvolumen) . Vorzugsweise weist die zweite Kanalgruppe einen Durchströmungsquerschnitt auf , der den Querschnitt der Stege zwischen den Kanälen um mindestens das Zwei fache , weiter bevorzugt um mindestens das Fünffache oder Zehnfache übersteigt .

Wesentlich ist ferner, dass der Folienstapel eine abwechselnde Stapelung von zweiten Folien und erstem Folienpaar umfasst , wobei die oberste und/oder unterste Lage des Folienstapels durch eine Abschluss folie oder ein erstes Folienpaar gebildet wird . Vorzugsweise liegen bei der Stapelung keine zwei zweiten Folien und keine zwei ersten Folienpaare aufeinander .

Eine bevorzugte Ausgestaltung der ersten Hochdruck-Kanalgruppe sieht deren ebenenweise Einarbeitung durch Rillen in beiden ersten Folien des ersten Folienpaars vor, wobei sich die Rillen ausgehend von der Auflagefläche der beiden ersten Folien aufeinander spiegelbildlich in beide ersten Folien erstrecken und weiter bevorzugt runde Kanalquerschnitte mit den vorgenannten Vorteilen bilden .

Vorzugsweise weist j eder der ersten und zweiten Ebenen eine Viel zahl von nebeneinander angeordneten, durchgängigen und voneinander fluidseitig getrennten Kanäle auf , vorteilhaft für eine hohe Durchdringbarkeit des Wärmeübertragervolumens mit den beiden Kanalgruppen . Dies gilt insbesondere auch oder alternativ, wenn die Kanäle j e Kanalgruppe optional parallel angeordnet und verschaltet sind .

Die Kanäle j e Kanalgruppe weisen j eweils bevorzugt eine einheitliche Länge und/oder über deren gesamte Kanallänge j eweils einen gleichbleibenden Durchströmungsquerschnitt auf , womit in allen Kanälen einer Kanalgruppe eine möglichst gleiche Strömung und Wärmeübertragung realisierbar ist .

Der vorgeschlagene Wärmeübertrager ist mit den vorgenannten Merkmalen grundsätzlich sowohl als Gleich- oder Gegenstromwärmeübertrager, bei dem alle Kanäle beider Kanalgruppen zumindest abschnittsweise parallel zueinander unter Ausbildung eines Gleich- oder Gegenstromwärmeübertragers angeordnet sind, als auch als Kreuzstromwärmeübertrager, bei dem die Kanäle der ersten Hochdruck-Kanalgruppe und die der zweiten Niederdruck- Kanalgruppe zumindest abschnittsweise , vorzugsweise vollständig j eweils windschief zueinander angeordnet sind, sich somit unter Bildung eines Kreuzstromwärmeübertragers kreuzen, konzipierbar und aus führbar .

Die Einlauf- und Auslaufbereiche sind j eweils vorzugsweise ebenenweise am Ende der Kanäle in der j eweiligen Ebene angeordnet . Die Kanäle einer Ebene sind dabei vorzugsweise nur an einen und den gleichen Einlaufbereich und einen und den gleichen Auslaufbereich angeschlossen . Sie sind hierzu bevorzugt ebenfalls in dieser Ebene angeordnet und weiter bevorzugt mit den Einlauf- und Auslaufbereichen der gleichen Kanalgruppe auf anderen Ebenen über den j eweiligen Einlaufbereich und den j eweiligen Auslaufbereich fluidisch über eine Verbindungsleitung verbunden .

Es wird als ein besonders bevorzugter konstruktiver Aufbau vorgeschlagen, die Einlauf- und die Auslaufbereiche der ersten und zweiten Kanalgruppe durch Vertiefungen oder Rillen in j eweils mindestens einer ersten Folie des j eweiligen ersten Folienpaars bzw . durch Durchbrüche , Rillen oder Vertiefungen in die j eweiligen zweiten Folien vorzusehen . Vorzugsweise weisen dabei alle Ebenen, d . h . alle Folien mit Kanälen zwischen j eweils einem Einlauf- und Auslaufbereiche j e Kanalgruppe , identische Abmessungen und Materialien auf . Sie sind dabei vorzugsweise Kanalgruppenweise identisch; sie führen damit Kanalgruppenweise j eweils auch zu identischen Strömungsverhältnissen in den Ebenen .

Bevorzugt sind die Einlauf- und die Auslaufbereiche der ersten und zweiten Kanalgruppe j eweils separat fluidseitig so miteinander verbunden, dass sie j eweils einen gemeinsamen Einlauf und j eweils einen gemeinsamen Auslauf für die Hochdruck-Kanalgruppe und die Niederdruck-Kanalgruppe des Wärmeübertragers bilden .

Der vorgeschlagene Wärmeübertrager ist vorzugsweise ein Mikrowärmeübertrager, der sich im Rahmen der Erfindung dadurch kennzeichnet , dass die Kanäle beider Kanalgruppen als Mikrokanäle von zwei Mikrokanalgruppen als Rillen oder Foliendurchbrüche mit engsten Durchströmungsquerschnitten zwischen 0 , 001 mm ² oder 0 , 01 mm ² und 10 mm ² oder 1 mm ² in bevorzugt Metall folien eingearbeitet sind und diese Metall folien zu einem Folienstapel vorzugsweise mittels Di f fusionsverschweißung zusammengefügt sind . Die Folien selbst weisen dabei eine bevorzugte Stärke zwischen 0 , 25 und 5 mm, weiter bevorzugt zwischen 0 , 5 und 1 , 5 mm auf .

Die Folien sind bei allen dargestellten Aus führungs formen vorzugsweise Metall folien, vorzugsweise aus Edelstahl oder Kupfer . Wichtig ist , dass die eingesetzten Materialien sich chemisch inert zu dem die Kanäle durchströmenden Wärmeübertragungs fluid verhalten . Als Fluide kommt eine Viel zahl von Stof fen in Betracht , die vorzugsweise im flüssigen oder im gas förmigen oder im zweiphasigen Zustand ( f lüssig/gas förmig) vorliegen . Die Fluide können reine Stof fe oder Stof f gemische sein . Die Erfindung löst die Aufgabe folglich mittels unterschiedlicher Strömungsquerschnitte von Hochdruck- und Niederdruck-Kanalgruppen zur Optimierung von Druckverlusten und Wärmeübergang in bevorzugt mikrostrukturierten Wärmeübertragern, insbesondere indem die Niederdruck-Kanalgruppen in durchbrochenen Folien ( sog . Niederdruck-Rahmen, zweite Folien) eingearbeitet sind und einseitig, vorzugsweise beidseitig unmittelbar an die benachbarten ( ersten) Folien der Hochdruck-Kanalgruppe angrenzen . Die Ausarbeitung der zweiten Folien mit den Niederdruck- Kanalgruppen kann z . B . durch das Ausstanzen von Blechen, Laserschneiden oder Fräsen erfolgen .

Die durch die benachbarten Folien abgeschlossene Niederdruck- Strömungswege ergeben sich immer nur durch die Kombination von Niederdruck-Rahmen mit j eweils zwei Face-to-Face gestapelten Folien ( zwei erste Folien oder eine erste Folie und eine Abschluss folie ) , die nach außen zu den Niederdruck-Rahmen hin über glatte Fügeflächen für das Di f fusionsschweißen verfügen und die im Inneren aus den geätzten Kanälen die Hochdruck- Strömungswege bilden .

Ein Wärmeübertrager mit den vorgenannten Niederdruck-Rahmen bietet gegenüber herkömmlichen Wärmeübertragern folgende Vorteile :

1 ) Unabhängig von der Stapelreihenfolge bei herkömmlichen Mikrostrukturwärmeübertragern entfällt in der vorgenannten Hochdruck-/Niederdruck-Sequenz immer eine Folienwand, womit der thermische Widerstand verringert und der Wärmetransport zwischen den Hochdruck- und Niederdruck-Medien verbessert wird .

2 ) Durch eine reduzierte Materialquerschnitts fläche des Niederdruck-Rahmens gegenüber herkömmlichen Wärmeübertragern wird zudem die Längswärmeleitung in den Wänden des Wärmeübertragers in Richtung der Kanäle verringert , was insbesondere bei Anwendungen mit großen Temperaturgradienten in Strömungsrichtung, z . B . in der Kälte- und Kryotechnik, von Vorteil ist . ) Durch die Stärke der zweiten Folien und damit der Höhe des Niederdruck-Rahmens ist bei einer vorgegebener Kanalbreite und -anzahl der Niederdruck-Strömungsquerschnitt so anpassbar und damit der niederdruckseitige Druckverlust minimierbar und die Gesamtenergieef fi zienz des Folien-Rahmen Wärmeübertragers maximierbar . Die Stärke der zweiten Folien und damit die Rahmenhöhe ist dabei bevorzugt kleiner oder gleich 5 mm und/oder kleiner oder gleich einem Faktor 2-3 der Stärke ( d . h . zwei- bis drei fache Stärke ) des ersten Folienpaars für die Hochdruck-Kanäle , weiter bevorzugt kleiner oder gleich einem Faktor 5- 10 der Stärke des ersten Folienpaars für die Hochdruck-Kanäle . Die Mindestrahmenhöhe ist vorzugsweise gleich der Stärke des ersten Folienpaares . ) Die bevorzugt parallelen Kanäle im Niederdruck-Rahmen sind durch Stege voneinander getrennt , deren Breite und deren Abstand insbesondere durch fertigungstechnische Anforderungen wie z . B . durch das bevorzugte Di f fusionsschweißen bestimmt werden . Da die Stege mit den angrenzenden Rückwänden der ersten Hochdruck-Folien z . B . di f fusionsverschweißt werden, tragen deren Oberflächen unmittelbar zur Wärmeübertragung zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Medium bei . ) Gegenüber herkömmlichen Mikrostrukturwärmeübertragern, deren Design auf der Stapelung von geätzten Folien basiert , verfügen die vorgeschlagenen Wärmeübertrager mit Niederdruck-Rahmen über ein prinzipiell verbessertes Wärmeübertragungsverhalten und gleichzeitig über einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der deutlich unterschiedliche Druckverluste entlang der Strömungswege ermöglicht und somit die energetische Gesamtoptimierung des mikrostrukturierten Wärmeübertragers bei höchstmöglicher Leistungsdichte erlaubt .

6 ) Wie klassische Mikrostrukturwärmeübertrager verfügen Folien- Rahmen Wärmeübertrager über den Folienstapel ein im Grundsatz monolithisches Design, d . h . die ersten und zweiten Folien und damit der gesamte Wärmeübertrager besteht vorzugsweise nur aus einem einzigen Material . Dadurch werden Thermospannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoef fi zienten vermieden, was insbesondere in Tief temperatur- anwendungen mit großen Temperaturgradienten von Vorteil ist .

7 ) Durch die niedrigen hydraulischen Durchmesser mikrostrukturierter Wärmeübertrager mit den vorgenannten Folien-Rahmen sind prinzipiell höhere Betriebsdrücke als bei herkömmlichen Plattenwärmeübertragern möglich . Dadurch wären z . B . bei der Wasserstof fverflüssigung höhere Anlagendrücke möglich, was die Prozessef fi zienz deutlich beeinflusst .

Die vorgeschlagenen Wärmeübertrager eignen sich insbesondere für verfahrenstechnische Anwendungen mit kompressiblen Medien, bei denen Druckverluste einen wesentlichen Einfluss auf die Prozessef fi zienz haben . Dies ist insbesondere im Bereich niedriger Absolutdrücke der Fall . Ein großes Anwendungsgebiet bieten insbesondere Verfahren in der Kälte- und Kryotechnik .

Wärmeübertrager haben einen wesentlichen Einfluss auf die Energieef fi zienz von verfahrenstechnischen Anwendungen . Die Energieef fi zienz von Wärmeübertragern wird zumeist durch die Temperaturdi f ferenzen der Wärmeübertragung bestimmt . Bei kompressiblen Medien und niedrigen Drücken spielt aber auch der Druckverlust eine wichtige Rolle . Allgemein kann durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten der Wärmeübergang verbessert werden; infolge der damit zunehmenden Druckverluste ergibt sich j edoch immer ein energetisches Optimierungsproblem .

Im mittleren und kleinen Leistungsbereich kommen in vielen Anwendungen herkömmliche Plattenwärmeübertrager mit einer Leistungsdichte im Bereich von ca . 100- 1000 m ² /m ³ zum Einsatz . Durch mikrostrukturierte Wärmeübertrager nach dem Stand der Technik lässt sich die Leistungsdichte weiter auf ca . 1000- 10 . 000 m ² /m ³ erhöhen . Diese Technologie , die z . B . in der Kälte- und Kryotechnik ein großes Anwendungspotential hat , impli ziert aber etwa gleiche Strömungsquerschnitte in den Fluidströmen, deren Verhältnis nur in Grenzen beeinflussbar ist , z . B . durch die Anzahl und Stapel folge der Folien in den Strömungspassagen . Die energetische Optimierung vieler Wärmeübertrager erfordert aber insbesondere die Begrenzung der Druckverluste auf der Niederdruckseite . In manchen Anwendungen sind prozessbedingt nur wenige Millibar Druckverlust zulässig, während auf der Hochdruckseite oftmals wesentlich höhere Druckverluste tolerabel sind . Eine signi fikante Verbesserung wird durch die Erfindung dadurch erzielt , dass der Strömungsquerschnitt der zweiten Niederdruck-Kanalgruppe so an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden kann, dass bei verbessertem Wärmetransport gleichzeitig Druckverluste in den Strömungspassagen realisierbar sind, die sich um ein bis zwei Größenordnungen unterscheiden können .

Die Vorteile von Wärmeübertragern mit den zuvor beschriebenen Folien-Rahmen kommen somit insbesondere in Anwendungen zum Tragen, in denen eine hohe Energiedichte der Wärmeübertragung benötigt wird und in denen sich die zulässigen Druckverluste in den Strömungspassagen stark unterscheiden . Druckverluste wirken sich insbesondere bei niedrigen Betriebsdrücken ( einschließlich dem Betrieb im Unterdrück) durch die Zunahme der Entropie bei der Expansion kompressibler Medien negativ auf die Prozessef fi zienz aus . Durch den mit der Rahmenhöhe zusätzlichen Freiheitsgrad für das hydraulische Design der Niederdruck-Kanalgruppe und den Wegfall von Folienwänden ergeben sich neue Möglichkeiten für die thermohydraulische Optimierung mikrostrukturierter Wärmeübertrager . Damit wird auch eine Erhöhung der Energiedichte und die energetische Optimierung von Wärmeübertragern in einer Viel zahl von Anlagenkonzepten und Anwendungen ermöglicht , insbesondere in der Kälte- und Kryotechnik . In der Kältetechnik sind auf Grund der großen Stückzahlen schon geringe energetische Verbesserungen von großer ökonomischer und ökologischer Bedeutung .

Mit den vorgeschlagenen Wärmeübertragern sind darüber hinaus neue Anlagekonzepte denkbar, die bisher technisch nicht realisierbar sind . Beispielhaft und nicht abschließend seien hier Verwendungen für gekühlte Stromleiter, in kompakten Wärmeübertragungssystemen, in Ultratief kühlgeräten oder in Wasserstof f- Verflüssigern und Helium-Kälteanlagen genannt .

Die Erfindung wird anhand von Aus führungsbeispielen, den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert . Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Aus führungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt . Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche , aber nicht expli zit als Aus führungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden . Es zeigen

Fig . la bis c schematische Querschnittansichten von herkömmlichen Gleich- und/oder Gegenstromwärmeübertragern mit zwei Kanal fraktionen als Folienstapel ( Stand er Technik) ,

Fig . 2a und b schematische Schnittansichten von Gleich- und/ oder Gegenstromwärmeübertragern mit zwei modi fi zierten Kanalfraktionen, Fig . 3a bis d mehrere Detailansichten einer zweiten Folie (Niederdruck-Rahmen) mit einer Anzahl parallel verlaufenden Kanäle mit Ein- und Auslässen,

Fig . 4a bis c verschiedene Aus führungsbeispiele für einen Gegenstromwärmeübertrager für Verwendungen bevorzugt in der Kälte- und Kryotechnik sowie

Fig . 5 eine schematische Explosions zeichnung des in Fig . 4a dargestellten Aus führungsbeispiels .

Herkömmliche Wärmeübertrager in Schichtstapelbauweise , wie sie in Fig . la bis c schematisch wiedergegeben sind, weisen in Folien 1 oder Platten einseitig eingearbeitete Rillen 2 auf , die im Stapel von einer benachbarten Folie mit oder ohne eingearbeiteten Rillen unter Bildung von Kanälen abgedeckt sind . Die Rillen durchdringen die Folien nicht . Herkömmlichen Wärmeübertragern gemein ist , dass j eder der Kanäle sich nur in zwei Schichten erstreckt oder sich in eine Schicht erstreckt und nur eine weitere Schicht tangiert . Die Wandung eines j eden Kanals wird im Querschnitt nur durch zwei benachbarte Schichten gebildet . Jede Folie weist zumindest eine Seite ohne eingearbeitete Rillen auf , vorzugsweise als plane Fläche . Die Kanäle sind ebenenweise zu Kanalgruppen zusammengefasst .

Fig . la zeigt eine Aus führung, bei der j eder Kanal 3 in zwei benachbarten Folien 2 eines Folienpaars (Ebene ) durch j eweils zwei gegenüberliegende Rillen 2 mit halbrunden Querschnitten gebildet wird . Die halbrunden Querschnitte setzen sich zu runden Kanalquerschnitten zusammen . Die Folien eines Folienpaars sind vorzugsweise aus einem Metall gefertigt , vorzugsweise aus Edelstahl oder Kupfer oder einem anderen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Korrosionsneigung gegenüber einem durch die Kanäle durchzuleitenden Wärmeübertragungsmedium . Zumindest die j eweils beiden Folien eines Folienpaars sind miteinander di f fusionsverschweißt oder hartverlötet ( Stof fschluss ) , womit sich dies in Verbindung mit einem runden Kanalquerschnitt besonders für eine Durchleitung von Medien mit hohen Drücken eignet .

Fig . lb und c repräsentieren dagegen alternative Aus führungsbeispiele , bei denen j eder Kanal 3 nur durch eine Rille 2 in einer Folie 1 gebildet wird, wobei die Rillen j eweils ebenenweise durch eine glatte Fläche 4 einer benachbarten Folie abgedeckt werden .

In Fig . lb werden diese glatten Flächen durch die unstrukturierte plane Oberfläche einer benachbarten Folie mit Kanälen gebildet , wodurch ein Staple von gleichartigen Folien gebildet wird .

Fig . lc of fenbart dagegen eine Aus führung, bei denen wie in Fig . la zwei mit Rillen strukturierte Folienoberflächen übereinander angeordnet sind, aber durch eine unstrukturierte Zwischenfolie 5 voneinander getrennt sind . Die beiden Rillen setzen dabei nicht wie in Fig . la dargestellt als Kanalhäl ften zu einem Kanal zusammen, sondern bilden durch die Zwischenfolie voneinander getrennt j eweils eigene Kanäle .

Fig . 2a und b zeigen dagegen Querschnitte von Aus führungsbeispielen von für die Lösung der vorgenannten Aufgabe vorgeschlagenen Wärmeübertragern mit einer Niederdruck-Kanalgruppe 6 und einer Hochdruck-Kanalgruppe 7 als Folienstapel . Die Kanäle der Niederdruck-Kanalgruppe sind als Durchbrüche in Einzel folien dargestellt (Niederdruck-Rahmen, zweite Folie ) , die beidseitig j eweils von einer benachbarten Folie ( zu ersten Folien gehörend) abgedeckt werden . Die Wandung eines j eden Kanals der Niederdruck-Kanalgruppe wird so im Querschnitt durch drei benachbarte Schichten gebildet ; diese Kanäle grenzen in für einen Wärmeübergang vorteilhafter Weise beidseitig direkt an zwei erste Folien der Hochdruck-Kanalgruppe an . Die Kanäle j e Kanalgruppe sind parallel zueinander angeordnet und verschaltet .

Fig . 2a zeigt ein Aus führungsbeispiel eines Folienstapels , bei dem die Ebenen mit den Hochdruck-Kanalgruppen, wie in Fig . la dargestellt , für Hochdruckanwendungen besonders vorteilhaft mit runden Kanalquerschnitten über ein Folienpaar 9 ( zwei erste Folien 8 ) erstreckend ausgestaltet sind . Dagegen sind die dazwischen angeordneten Ebenen mit den Niederdruck-Kanalgruppen 6 im Beispiel durch durchbrochene Einzel folien 10 (Niederdruck-Rahmen) dargestellt , wobei die Durchbrüche 11 beidseitig durch j eweils eine glatte Fläche 4 eines der vorgenannten Folienpaare mit den Hochdruck-Kanalgruppen abgedeckt sind .

Fig . 2b zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel mit besonders kurzen Wärmeübertagungswegen zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkanalgruppen . Die Niederdruck-Kanalgruppen 6 sind wie in Fig . 2a durch durchbrochene Einzel folien 10 (Niederdruck- Rahmen, zweite Folie ) dargestellt , wobei die Durchbrüche 11 beidseitig durch j e eine benachbarte erste Folie 8 des Folienpaars 9 der Hochdruck-Kanalgruppe 7 abgedeckt sind . Die Kanäle der Hochdruck-Kanalgruppen sind als rechteckige Rillen in nur einer ersten Folie des Folienpaars und in Fortsetzung zu den vorgenannten Durchbrüchen eingearbeitet und werden von einer unstrukturierten und beidseitig planen Abdeckfolie 12 ( zweite der beiden ersten Folien) abgedeckt . Abdeckfolie und mit Rillen strukturierte Folien bilden das Folienpaar ( zwei erste Folien) . Dies sowie die rechteckigen Querschnitte der Kanäle der Hochdruck-Kanalgruppen und die unstrukturierte Abdeckfolie begünstigen einen besonders großen Flächenanteil der Kanalquerschnitte im Querschnitt des ( ersten) Folienpaars einerseits und damit möglichst kurze Wärmeübertagungswege zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkanalgruppen .

Fig . 3a bis d zeigt mehrere schematische Detailansichten einer durchbrochenen Folie 10 als zweite Folie (Niederdruck-Rahmen) mit einer Anzahl parallel verlaufender Durchbrüche 11 als Kanäle . Fig . 3c und d enthalten Schnittdarssteilungen der zweiten Folie entlang der in Fig . 3a dargestellten Schnittlinie A-A. Die Kanäle ( Durchbrüche 11 ) münden endseitig in j eweils eine Sammelschiene 13 und 14 als Ein- bzw . Auslass aus bzw . ein, die als Rillen quer zu den Durchbrüchen angeordnet sind und diese fludisch miteinander verbinden . Ferner sind fludische Verbindungen 15 und 16 aus den Sammelschienen 13 bzw . 14 für eine Einleitung bzw . Ableitung des durch die Niederdruck-Kanalgruppe zu leitenden Medien vorgesehen . Diese fluidischen Verbindungen werden - wie dargestellt - bevorzugt als Durchbrüche durch die zweite Folie vorgeschlagen, wobei sich diese Durchbrüche in zumindest mehreren benachbarten Folien übereinander im ganzen Folienstapel angeordnet fortgesetzt einen die Folien kreuzende Einleitungs- und Ableitungskanäle bilden . Einleitungs- und Ableitungskanäle verbinden so auch übereinander angeordneten Sammelschienen miteinander .

Fig . 4a bis c geben verschiedene Aus führungsbeispiele für einen Gegenstrommikrowärmeübertrager für Verwendungen bevorzugt in der Kälte- und Kryotechnik allgemein ( Fig . 4a und b) sowie für die Temperierung von Stromzuführungen für Anwendungen der Supraleitung 23 ( Fig . 4c) wieder . Die dargestellten Gegenstromwärmeübertrager weisen j eweils zwei endseitige Anschlussbereiche 17 mit j eweils zwei Anschlüsse für die zwischen diesen angeordneten Erstreckungsbereich der Hochdruck- und Niederdruck- Kanalgruppen 18 auf .

Fig . 5 zeigt beispielhaft eine schematische Explosions zeichnung der ersten und zweiten Folien 8 bzw . 10 in einem Folienstapel eines in Fig . 4a dargestellten Aus führungsbeispiels . Dargestellt sind die Erstreckung einer Hochdruck-Kanalgruppe auf einer ersten Folie 27 sowie einer Niederdruck-Kanalgruppe auf einer zweiten Folie 28 . Während die Kanäle beider Kanalgruppen im mittleren Erstreckungsbereich 18 schichtweise parallel verlaufen, schwenken sie in den beiden endseitigen Anschlussbereichen 17 Kanalgruppenweise in j eweils ein Anschlussvolumen aus und münden in diese ein bzw . aus . Deutlich erkennbar ist das erweiterte Anschlussvolumen ( gestapelte Durchbrüche ) im Abflussbereich, dargestellt im rechts dargestellten Anschlussbereich . Nach oben hin ist die zweite durchbrochene Folie 10 mit einer einseitig planen Abdeckfolie 25 abgeschlossen .

Fig . 4a zeigt eine Aus führungs form, bei der die Anschlüsse für die Ableitungen für Niederdruck-Kanalgruppe 19 und der Hochdruck-Kanalgruppe 21 gegenüber deren Einleitungen 20 bzw . 22 wesentlich erweitert sind . Eine solche Ausgestaltung eignet sich besonders für Mikrowärmeübertrager, bei denen die in den Kanälen temperierten Medien eine Volumenzunahme erfahren ( z . B . bei einer Reaktion oder einer Verdampfung) oder beim Ableiten der Medien nur ein geringer Strömungswiderstand tolerierbar ist . Diese Aus führungs form zeichnet sich durch die anhand der Fig . 3a bis d beschriebenen Durchbrüche durch den Folienstapel aus , die als fluidische Verbindungen an die vorgenannten Anschlüsse angeschlossen sind .

Fig . 4b zeigt eine weitere Aus führungs form, bei der die Anschlüsse für die Ableitungen für Niederdruck-Kanalgruppe 19 und der Hochdruck-Kanalgruppe 21 gegenüber deren Einleitungen 20 b zw . 22 nicht oder unwesentlich im Querschnitt verändert wurden . Die vorgenannten fludischen Verbindungen und die Sammelschienen zwischen den Hochdruck- und Niederdruck-Kanalgruppen 18 und den Anschlüssen 19 bis 22 werden hier durch seitlich direkt an den Folienstapel angesetzte Verteilerkammern 24 ersetzt . In j ede der vier Verteilerkammern münden vorzugsweise alle Kanäle einer Kanalgruppe aus oder ein und werden durch diese fluidisch j eweils an eine der vier Anschlüsse 19 bis 22 angebunden . Fig . 4c zeigt eine weitere Aus führungs form, bei der die Anschlüsse für die Ableitungen für Niederdruck-Kanalgruppe 19 und der Hochdruck-Kanalgruppe 21 gegenüber deren Einleitungen 20 b zw . 22 ebenfalls nicht oder unwesentlich im Querschnitt verändert wurden . Allerdings besteht der Folienstapel aus ei- nem elektrisch gut leitenden Material , vorzugsweise Kupfer, und verfügt über Stromanschlüsse 23, so dass der elektrische Strom vorzugsweise parallel zu den Kanälen im mittleren Erstreckungsbereich 18 fließt . Diese Aus führungs form eignet sich besonders für die Temperierung von Stromzuführungen für Anwen- düngen der Supraleitung, um den elektrischen Strom ef fi zient von Raumtemperatur zur kryogenen Betriebstemperatur des Supraleiters zu transportieren .

Bezugszeichenliste :

1 Folie

2 Rille

3 Kanal

4 glatte Fläche auf einer Folie

5 unstrukturierte Zwischenfolie

6 Nieder druck- Kanal gruppe

7 Ho chdruck-Kanal gruppe

8 erste Folie

9 Folienpaar ( zwei erste Folien)

10 durchbrochene Einzel folie (Niederdruck-Rahmen, zweite Folie )

11 Durchbruch

12 beidseitig plane Abdeckfolie

13 Sammelschiene für eine Einleitung

14 Sammelschiene für die Ableitung

15 fludische Verbindung zur Einleitung

16 fludische Verbindung zur Ableitung

17 Anschlussbereich

18 Erstreckungsbereich der Hochdruck- und Niederdruck- Kanalgruppen

19 Anschluss für die Einleitung für Niederdruck-Kanalgruppe

20 Anschluss für die Ableitung für Niederdruck-Kanalgruppe

21 Anschluss für die Einleitung für Hochdruck-Kanalgruppe

22 Anschluss für die Ableitung für Hochdruck-Kanalgruppe

23 Anschluss fahne der Folien für elektrischen Strom

24 Verteilerkammer

25 einseitig plane Abdeckfolie

26 Erstreckung einer Niederdruck-Kanalgruppe auf zweiter Folie

27 Erstreckung einer Hochdruck-Kanalgruppe auf erster Folie