Die Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmetauscher.

Stapelscheibenwärmetauscher kommen bei der Abgasnachbehandlung von Brennkraftmaschinen als sogenannte Abgas-Verdampfer zum Einsatz. Ein solcher Abgas-Verdampfer ermöglicht eine Wärmeenergierückgewinnung aus den von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasen. In einem Abgasverdampfer wird dem Abgas Wärme entzogen und einem Kühl- oder Kältemittel, dem sogenannten Arbeitsmedium zugeführt, welches dabei typischerweise verdampft wird.

Ein derartiger Stapelscheibenwärmetauscher ist beispielsweise aus der DE 10 2009 012 493 A1 bekannt.

Um bei der Wärmerückgewinnung einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist eine optimierte Geometrie der Kanalstruktur, in welcher das Arbeitsmedium durch den Verdampfer bzw. Stapelscheibenwärmetauscher geführt wird, von zentraler Bedeutung.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Stapelscheibenwärmetauscher zu schaffen, welcher insbesondere einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die in dem Stapelscheibenwärmetauscher ausgebildete Kanalstruktur zum Durchströmen mit einem Fluid - dem Ar- beitsmedium des Wärmetauschers - abschnittsweise mit einer zick-zack-artigen Kanalgeometrie zu versehen. Mit den damit verbundenen Änderungen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums beim Durchströmen der zick-zack-artigen Kanalgeometrie geht ein erhöhter Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem durch den Stapelscheibenwärmetauscher geführten Abgas einher. Daher eignet sich eine solche zick-zack-artige Kanalgeometrie insbesondere in einem Bereich der Kanalstruktur, in welchem das Arbeitsmedium in flüssiger Phase vorliegt. Denn in diesem Bereich ist bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Arbeitsmediums die Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium an sich reduziert. Die erfindungswesentliche, zick-zack-artige Kanalgeometrie kann diese reduzierte Wärmeübertragung bei in flüssiger Phase vorliegendem Arbeitsmedium zumindest ausgleichen und führt somit im Ergebnis zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Wärmetauschers.

In denjenigen Bereichen der Kanalstruktur, in welcher das Arbeitsmedium zwei- phasig, also auch gasförmig vorliegt, ist die Wärmeübertragung auch ohne zick- zack-artige Kanalgeometrie ausreichend hoch, so dass dort auf besagte zick-zack- artige Kanalgeometrie verzichtet werden kann. Somit wird in diesen Bereichen der Kanalstruktur ein mit der zick-zack-artigen Geometrie stets einhergehender, unnötiger Druckverlust im Arbeitsmedium vermieden.

Ein erfindungsgemäßer Stapelscheibenwärmetauscher umfasst eine Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Stapelscheiben. In zumindest einer Stapelscheibe ist eine Kanalstruktur zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet. Die Kanalstruktur umfasst in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe entlang der Stapelrichtung wenigstens einen Fluidkanal, der zumindest einen Kanalabschnitt mit zick-zack-artiger Geometrie aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der zumindest eine Kanalabschnitt mit zick-zack-artiger Geometrie einen ersten Teilabschnitt auf, welcher in einen zweiten Teilabschnitt übergeht. Die beiden Teilabschnitte bilden miteinander einen Winkel zwischen 90° und 165° aus. Experimentelle Untersuchen haben gezeigt, dass mit besagtem Winkelbereich ein besonders hoher Wärmeaustausch zwischen Arbeitsmedium und Abgas erzielt werden kann.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind der erste und der zweite Teilabschnitt in der Draufsicht entlang der Stapelrichtung im Wesentlichen geradlinig ausgebildet und gehen mittels eines gekrümmten ausgebildeten Übergangsabschnitts ineinander über. Mittels einer solchen Geometrie kann ein unerwünschter Druckverlust im Arbeitsmedium beim Durchströmen des Fluidkanals gering gehalten werden.

Besonders bevorzugt ist der wenigstens eine Fluidkanal der Kanalstruktur mäanderartig ausgebildet und weist mehrere Kanalabschnitte mit zick-zack-artiger Geometrie auf. Eine solche Geometrie erlaubt die Anordnung des Fluidkanals auf einer Stapelscheibe mit relativ geringen Flächenabmessungen. Somit lässt sich der Stapelscheibenwärmetauscher mit besonders kompakten äußeren Abmessungen realisieren.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Fluidkanal eine Mehrzahl von U-förmigen Kanalabschnitten auf. Bei dieser Variante ist zwischen zumindest zwei entlang einer Erstreckungsrichtung des wenigstens einen Fluidkanals benachbarten, U-förmigen Kanalabschnitten wenigstens ein Kanalabschnitt mit zick-zack-artiger Geometrie, vorgesehen. Auch diese Variante erlaubt einen hohen Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Bedarf an Bauraum.

Als besonders bevorzugt, weil ebenfalls in besonders kompakter Bauweise realisierbar, mag eine Variante erachtet werden, bei welcher zwischen den zumindest zwei entlang der Erstreckungsrichtung des wenigstens einen Fluidkanals aufeinanderfolgenden, U-förmigen Kanalabschnitten zwei entlang der Erstreckungsrich- tung aufeinanderfolgende Kanalabschnitte mit zick-zack-artiger Geometrie, vorgesehen sind.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Kanalstruktur zumindest zwei sich im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander erstreckende Fluidkanä- le. Auf diese Weise kann eine hohe Druckfestigkeit in den einzelnen Fluidkanalen sichergestellt werden. Für eine Vielzahl von Arbeitsmedien wie etwa Cyclopentan, Ethanol, Aceton erweist es sich als vorteilhaft, wenn genau drei Fluidkanäle vorgesehen sind, die sich im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander erstrecken.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den zumindest zwei Fluidkanalen wenigstens ein Verbindungskanal ausgebildet, welcher im Bereich des Kanalabschnitts mit zick-zack-artiger Geometrie vorgesehen ist und die wenigstens zwei Fluidkanäle fluidisch miteinander verbindet. Dies ermöglicht einen Druckausgleich des in den einzelnen Fluidkanalen im Arbeitsmedium vorhandenen Fluiddrucks. Dies wiederum begünstigt einen lateral besonders homogenen Wärmeaustausch zwischen Arbeitsmedium bzw. dem Fluid und dem Abgas.

Besonders bevorzugt ist eine Mehrzahl von Verbindungskanälen vorgesehen, welche im Abstand zueinander entlang der Erstreckungsrichtung der wenigstens zwei Fluidkanäle angeordnet sind. Auf diese Weise kann der gewünschte Druckausgleich über die gesamte Erstreckung der Fluidkanäle gewährleistet werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung verbindet zumindest ein Verbindungskanal, vorzugsweise jeweils alle Verbindungskanäle, alle vorhandenen Fluidkanäle fluidisch miteinander. Auch diese Maßnahme begünstigt einen für einen homogenen Wärmeaustausch vorteilhaften Druckausgleich im Arbeitsmedium bzw. Fluid. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Wasser ausgebildet. Hierzu weisen alle vorhandenen Fluidkanale in einem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanale zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 2 mm ² und 8 mm ² auf. Alternativ dazu ist die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Ethanol ausgebildet. Hierzu weisen alle vorhandenen Fluidkanale in dem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanale zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 3 mm ² und 15 mm ² auf. Denkbar ist es auch, ein Gemisch aus Ethanol und Wasser zu verwenden. Alternativ dazu kann die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Cyclopentan ausgebildet sein. In diesem Fall weisen alle vorhandenen Fluidkanäle in dem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanäle zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 6 mm ² und 20 mm ² auf. Alternativ dazu ist auch die Verwendung von Aceton vorstellbar. Alternativ dazu ist die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) ausgebildet. Bei dieser Variante weisen alle vorhandenen Fluidkanäle in einem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanäle zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 15 mm ² und 40 mm ² auf. Je nach Wahl des Arbeitsmediums erfolgt also eine individuelle Auslegung der Querschnittsfläche der einzelnen Fluidkanäle. Auf diese Weise wird ein effizienter Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Druckverlust im Arbeitsmedium sichergestellt. Alle genannten Substanzen können auch als Gemisch mit einem Öl verwendet werden.

Als technisch besonders einfach zu realisieren und somit kostengünstig herzustellen erweist sich eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die Kanalstruktur durch in der Stapelscheibe vorhandene, sickenartige Erhöhungen oder Vertiefungen gebildet ist. Dies erlaubt eine Realisierung der Stapelscheiben mit der erfindungswesentlichen Kanalstruktur als Blechformteile, insbesondere mittels Tiefziehens. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in zumindest zwei Stapelscheiben eine Kanalstruktur vorhanden. Je mehr Stapelscheiben mit einer Kanalstruktur mit der erfindungswesentlichen, zick-zack-artigen Strömungsgeometrie versehen sind, desto höher die mit dem Stapelscheibenwärmetauscher erzielbare Effizienz, insbesondere wenn dieser als Abgas-Verdampfer im Zusammenspiel mit einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.

Zweckmäßig kann der Stapelscheibenwärmetauscher einen gemeinsamen Fluide- inlass zum Verteilen des Fluids auf die wenigstens zwei, vorzugsweise drei, Fluid- kanäle sowie einen gemeinsamen Fluidauslass zum Ausleiten des Fluids nach dem Durchströmen der jeweiligen Fluidkanäle aufweisen. Diese Maßnahme vereinfacht den Aufbau des Stapelscheibenwärmetauschers, insbesondere, wenn mehrere separate Fluidkanäle vorgesehen sind.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

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.

Es zeigen, jeweils schematisch: Fig. 1 eine einzelne Stapelscheibe des Stapelscheibenwärmetauschers mit der erfindungswesentlichen Kanalstruktur in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 eine Detaildarstellung der Kanalstruktur der Figur 1 in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe,

Fig. 3 eine Variante der Stapelscheibe der Figuren 1 und 2 mit einer Kanalstruktur, die drei Fluidkanäle umfasst, in einem Querschnitt,

Fig. 4 den Stapelscheibenwärmetauscher mit mehreren aufeinandergestapel- ten Stapelscheiben in einer perspektivischer Darstellung.

Figur 1 illustriert beispielhaft eine einzelne Stapelscheibe 2 eines erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers 1 in einer perspektivischen Darstellung.

In der in Figur 1 gezeigten Stapelscheibe 2 ist eine Kanalstruktur 3 zum Durchströmen mit einem Fluid F ausgebildet. Die Kanalstruktur 3 umfasst zwei Fluidkanäle 4a, 4b, die sich in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe 2 entlang der Stapelrichtung S im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander entlang erstrecken. Die Kanalstruktur 3 mit den Fluidkanälen 4a, 4b ist durch in der Stapelscheibe 2 ausgebildete, sickenartige Erhöhungen oder Vertiefungen 10 gebildet.

Jede Stapelscheibe 2 ist in Stapelrichtung S beidseitig mit zwei einander gegenüberliegenden Deckplatten 1 1 a, 1 1 b abgedeckt, was aus Figur 3 ersichtlich wird, welche die Stapelscheibe 2 in einer Schnittdarstellung zeigt. Demnach begrenzen die beiden Deckplatten 1 1 a, 1 1 b die in der Stapelscheibe 2 gebildete Kanalstrukturen 3 in und entgegen der Stapelrichtung S (vgl. Figur 2). Die beiden Deckplatten 1 1 a, 1 1 b können mit der jeweiligen Stapelscheibe 2 verlötet sein. Zur Ausbildung des Stapelscheibenwärmetauschers 1 können mehrere Stapelscheiben 2 mit jeweiligen Deckplatten 1 1 a, 1 1 b aufeinandergestapelt sein. Dies ist in Figur 4 gezeigt, welche den Stapelscheibenwärmetauschers 1 in einer perspektivischen Teildarstellung zeigt. Die einzelnen Stapelscheiben 2 mit den Deckplatten 1 1 a, 1 1 b sind in der Stapelrichtung S im Abstand zueinander angeordnet, wobei sich in Stapelrichtung S benachbarte Deckplatten 1 1 a, 1 1 b mittels einer in Figur 4 nicht näher dargestellten, jeweiligen Rippenstruktur 12 aneinander abstützen. Die im Bereich der Rippenstrukturen 12 zwischen benachbarten Deckplatten 1 1 a, 1 1 b gebildeten Zwischenräume 13 können von einem Abgas 14 durchströmt werden, welches mit dem durch die Kanalstrukturen 3 der Stapelscheiben 2 strömendem Fluid F in Wärmeaustausch steht.

Betrachtet man nun wieder Figur 1 , so erkennt man, dass die beiden Fluidkanäle 4a, 4b der Kanalstruktur 3 jeweils mäanderartig ausgebildet sind. Jeder der beiden Fluidkanäle 4a, 4b besitzt Kanalabschnitte 5 mit jeweils zick-zack-artiger Geometrie. Der Stapelscheibenwärmetauscher 1 kann außerdem einen gemeinsamen Fluideinlass zum Verteilen des Fluids F auf die zwei Fluidkanäle 4a, 4b und einen gemeinsamen Fluidauslass zum Ausleiten des Fluids F nach dem Durchströmen der beiden Fluidkanäle 4a, 4b aufweisen.

Die Figur 2 ist eine Detaildarstellung der Figur 1 im Bereich von Kanalabschnitten 5 mit jeweils zick-zack-artiger Geometrie. Wie Figur 2 entnommen werden kann, weist ein in der Kanalstruktur 3 vorhandene Kanalabschnitt 5 mit zick-zack-artiger Geometrie einen ersten Teilabschnitt 6a auf, welcher mittels eines Übergangabschnitts 7 in einen zweiten Teilabschnitt 6b übergeht. Der erste und der zweite Teilabschnitt 6a, 6b sind jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet, der Übergangsabschnitt 7 ist hingegen gekrümmt ausgebildet. Die beiden Teilabschnitte 6a, 6b sind bevorzugt unter einem Winkel zwischen 90° und 165° zueinander angeordnet. Wie die Figur 1 erkennen lässt, umfassen die beiden Fluidkanale 4a, 4b jeweils nicht nur Kanalabschnitte 5 mit zick-zack-artiger Geometrie, sondern besitzen jeweils auch eine Mehrzahl von U-förmigen Kanalabschnitten 8. Zwischen zwei entlang einer Erstreckungsrichtung E der Fluidkanale 4a, 4b benachbarten, U- förmigen Kanalabschnitten 8 sind die Kanalabschnitte 5 mit zick-zack-artiger Geometrie ausgebildet.

Die Kanalabschnitte 5 mit zick-zack-artiger Geometrie sind derart im Stapelscheibenwärmetauscher 1 angeordnet, dass in den Kanalabschnitten 5 das Fluid F vollständig in flüssiger Phase vorliegt. Außerdem können die beiden Fluidkanäle 4a, 4b jeweils zwei zu den Kanalabschnitten 5 mit zick-zack-artiger Geometrie verschiedene Kanalabschnitte 20a, 20b aufweisen, in welchen die Fluidkanäle 4a, 4b keine zick-zack-artiger Geometrie aufweisen, sondern geradlinig oder andersartig ausgebildet sein können.

Wie Figur 2 anschaulich belegt, sind zwischen den zwei im Abstand zueinander verlaufenden Fluidkanälen 4a, 4b im Bereich der Kanalabschnitte 5 mit zick-zack- artiger Geometrie Verbindungskanäle 9 ausgebildet. Die Verbindungskanäle 9 verbinden die Fluidkanäle 4a, 4b fluidisch miteinander und sind hierzu entlang der Erstreckungsrichtung E der Fluidkanäle 4a, 4b im Abstand zueinander angeordnet.

Die Figur 3 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 1 . Im Beispiel der Figur 3 ist, wie oben bereits erwähnt, eine Stapelscheibe 2 des Stapelscheibenwärmetauschers 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung E dargestellt. Bei der Variante gemäß Figur 3 umfasst die Kanalstruktur 3 einen ersten, einen zweiten und ein dritten Fluidkanal 4a, 4b, 4c, also drei Fluidkanäle 4a, 4b, 4c. Wie die Figur 3 anschaulich belegt, weist der erste Fluidkanal 4a in dem Querschnitt der Figur 3 eine Querschnittsfläche Ai, der zweite Fluidkanals 4b eine Querschnittsfläche A ₂ und der dritte Fluidkanal 4c eine Querschnittsfläche A ₃ auf. Die Summe A der einzelnen Querschnittsflächen ergibt sich bei drei vorhandenen Fluidkanälen 4a, 4b, 4c zu A = Ai + A ₂ + A ₃ .

Bevorzugt wird die Querschnittsfläche A an das durch die Kanalstruktur 3 strömende Arbeitsmedium, also an das verwendete Fluid, angepasst. Auf diese Weise kann ein effizienter Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Druckverlust im Arbeitsmedium/Fluid sichergestellt werden.

Soll die Kanalstruktur 3 mit Wasser als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so empfiehlt sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 2 mm ² und 8 mm ² .

Soll die Kanalstruktur 3 mit Ethanol als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so erweist sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 3 mm ² und 15 mm ² als vorteilhaft. Denkbar ist auch die Verwendung eines Gemischs aus Ethanol und Wasser.

Soll die Kanalstruktur 3 mit Cyclopentan als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so empfiehlt sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 6 mm ² und 20 mm ² . Als zu Cyclopentan alternative Substanz kann Aceton verwendet werden.

Soll die Kanalstruktur 3 mit Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so empfiehlt sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 15 mm ² und 40 mm ² . In weiteren Varianten ist auch ein Gemisch aus einer der vorangehend genannten Substanzen mit einem Öl möglich.