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WO2016146294A1 - Wärmetauscher, insbesondere für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Wärmetauscher, insbesondere für ein kraftfahrzeug Download PDF

Info

Publication number
WO2016146294A1
WO2016146294A1 PCT/EP2016/051930 EP2016051930W WO2016146294A1 WO 2016146294 A1 WO2016146294 A1 WO 2016146294A1 EP 2016051930 W EP2016051930 W EP 2016051930W WO 2016146294 A1 WO2016146294 A1 WO 2016146294A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
heat exchanger
exchanger according
flow direction
separating elements
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/051930
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Fetzer
Wilhelm Grauer
Boris Kerler
Marco Renz
Volker Velte
Original Assignee
Mahle International Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International Gmbh filed Critical Mahle International Gmbh
Publication of WO2016146294A1 publication Critical patent/WO2016146294A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Heat exchanger in particular for a motor vehicle
  • the present invention relates to a heat exchanger, in particular for a waste heat utilization device, and a waste heat utilization device with such a heat exchanger.
  • heat exchangers are used, for example, in motor vehicles to cool the fresh air charged by means of an exhaust-gas turbocharger in a fresh-air system interacting with the internal combustion engine of the motor vehicle.
  • the fresh air to be cooled ie a gas
  • the heat exchanger is introduced into the heat exchanger, where it thermally interacts with a fluid in the form of a likewise introduced into the heat exchanger coolant and emits heat in this way to the coolant.
  • charge air cooler heat exchangers
  • heat exchangers can also be used to cool a liquid coolant by means of a gas.
  • coolant coolers Such heat exchangers are referred to as coolant coolers.
  • Such a heat exchanger may for example be designed as a plate heat exchanger and having a plurality of tubular bodies, which are typically stacked in a stacking direction, wherein between the plates of a tubular body, a coolant path is formed through which the coolant is passed.
  • the medium to be cooled such as the fresh air charged in an exhaust gas turbocharger
  • rib structures can additionally be provided between adjacent tubular bodies which increase the interaction area of the tubular bodies available for the thermal interaction.
  • the basic idea of the invention is accordingly to realize the heat exchanger in countercurrent principle, such that a gas flow direction for the gas guided through the heat exchanger substantially opposite, that is, at a 180 ° angle, to a fluid flow direction of the guided through the heat exchanger fluid ,
  • gas flow direction is understood here to mean the direction along which the gas flows through the heat exchanger while it undergoes thermal interaction with the fluid.
  • part of the gas flowing through the heat exchanger also flows in one direction in sections This may be the case, for example, when flow vortices are formed in the gas flow, ie the gas flow direction is a main flow direction of the gas flowing through the heat exchanger, which can vary locally mutatis mutandis for the fluid flowing through the heat exchanger and its fluid flow direction a realized as a charge air cooler heat exchanger as well as in a realized as a coolant radiator heat exchanger.
  • a heat exchanger comprises a plurality of flow paths for flowing through with a fluid.
  • Each fluid path is at least partially bounded by a tubular body.
  • the tubular bodies each extend along a tubular body extension direction and are stacked along a stacking direction.
  • at least two separating elements are arranged, which subdivide the relevant fluid path into a corresponding number of fluid channels. If two separating elements are present, three fluid channels are formed, with three separating elements, four fluid channels are formed, etc.
  • the fluid channels extend along the fluid flow direction already explained.
  • a gap is formed in each case. Through each such space, a gas path for flowing with the gas along a gas flow direction is formed in each case.
  • the fluid flow direction must run opposite to the gas flow direction.
  • the separating elements which are arranged along the fluid flow direction, are arranged orthogonal to the tube body extension direction.
  • the gas flow direction is as desired opposite to the fluid flow direction of the fluid flowing through the fluid channels. This applies in particular to that region of the gas or fluid paths in which the thermal interaction between gas and fluid takes place.
  • the heat exchanger serves to cool the gas flowing through the gas paths by heat exchange with the fluid, or conversely to cool the fluid by means of the gas.
  • the countercurrent principle it is achieved that there is always a temperature gradient between gas and fluid. This ensures that heat exchange between the gas and the fluid takes place over the entire gas or fluid paths. As a result, this leads to an improved efficiency of the heat exchanger.
  • the spaces for introducing and discharging the gas are formed open at opposite ends of the heat exchanger along the fluid flow direction.
  • the gas flow direction thus extends between the two opposite openings opposite to the fluid flow direction.
  • each gap there is a fin structure in each gap forming a gas path.
  • this rib structure adjacent tubular body based in the stacking direction.
  • the individual separating elements are each formed longitudinally. That is, the respective separator has an element length measured along the fluid flow direction that is at least ten times a member width measured across the fluid flow direction. In this way, a multiplicity of fluid channels extending fluidically relative to one another can be realized in the fluid paths with a small space requirement.
  • the element length is less than at least twenty times the element width, more preferably at least fifty times.
  • no separating elements are provided in a first fluid path end section of at least one fluid path with respect to the fluid flow direction.
  • the first fluid path end section fluidly connects all the fluid channels separated by the separating elements.
  • no separating elements are present in a second fluid path end section opposite the first fluid path end section along the fluid throughflow direction. This means that the second fluid path end section fluidly connects all the fluid channels separated by the separating elements.
  • the heat exchanger has at least one fluid distributor which is fluidically connected to the first fluid path end section. This serves to distribute the introduced into the heat exchanger fluid to the plurality of fluid paths.
  • the heat exchanger has at least one fluid collector fluidly connected to the second fluid path end portion. The fluid collector is used to collect the fluid after flowing through the fluid paths before it is removed from the heat exchanger.
  • the tubular body extending parallel to a longitudinal side of the tubular body.
  • exactly one fluid distributor and exactly one fluid collector are present in the heat exchanger.
  • the fluid distributor and the fluid collector are arranged at longitudinal ends opposite one another in the tube body extension direction of the tube body.
  • the fluid is first distributed by the fluid distributor to the individual fluid paths.
  • the fluid is distributed from the first fluid path end section to the various fluid channels.
  • the fluid in each fluid path is collected in the second fluid path end portion and collected from the individual fluid paths in the common fluid collector.
  • the fluid enters the fluid paths in the region of the longitudinal end of the tubular body, on which the fluid distributor is arranged. Accordingly, the entire fluid in the region of the longitudinal end of the tubular body again emerges from the fluid paths on which the fluid collector is arranged.
  • heat exchanger is very simple, resulting in significant cost advantages in the production.
  • the tubular body also extend parallel to a longitudinal side of the tubular body.
  • the heat exchanger has two fluid distributor and two fluid collector.
  • a fluid distributor and a fluid collector separate from this are arranged at each of the two longitudinal ends of the tubular body.
  • the tube extension direction is perpendicular to both the stacking direction and the fluid flow direction.
  • Such a designed heat exchanger requires very little space.
  • a heat exchanger with the above-described features according to the invention - including the preceding optional features - can be produced in a particularly simple manner and with particularly low production costs in series production by using an additive manufacturing method.
  • additive manufacturing process encompasses all manufacturing processes which generate the component in layers directly from a computer model. Such production processes are also known by the name “rapid forming”.
  • the term “rapid forming” covers in particular production processes for fast and flexible production of components by means of tool-free production directly from CAD data. The use of an additive manufacturing process allows manufacturing in a simple and flexible manner.
  • the additive manufacturing process may include laser sintering.
  • a laser sintering process is used to manufacture the heat exchanger.
  • Such a laser sintering method is also known by the term "laser melting”.
  • laser melting By means of such a method, that of the directly from 3D CAD data can be produced.
  • the heat exchanger during laser sintering is manufactured without tools and in layers on the basis of the three-dimensional CAD model assigned to the heat exchanger.
  • the heat exchanger may be integrally formed.
  • Such a one-piece training is particularly evident when using the previous presented above, in particular the laser sintering.
  • a one-piece design of the heat exchanger eliminates the very costly and therefore costly attaching the individual components of the heat exchanger together. For example, eliminating the cohesive fastening of the individual tubular body to the rib structures as well as the cohesive fastening of fluid distributor and fluid collector to the tubular bodies.
  • the separating elements can be formed web-like and integrally formed on the respective, the first fluid channel limiting tubular body.
  • two adjacent partition members together with the tubular body for each fluid channel form a tubular body through which the fluid channel is confined.
  • the flow pattern of the fluid flowing through the fluid channels is to be selectively influenced, for example in order to increase the heat exchange with the gas with the aid of turbulent flows, then a non-linear design of the separating elements proves to be particularly advantageous.
  • Particularly expedient adjacent element sections in the cross section perpendicular to Stacking direction be arranged at an obtuse angle to each other.
  • the formation of separating elements with a straight-line or non-straight-line geometry can be realized particularly simply by means of the above-described additive manufacturing method.
  • the separating elements may be formed in the cross section perpendicular to the stacking direction at least partially curved. In this way, the flow of the fluid through the fluid channels can be optimized. It is understood that in the above-mentioned embodiments, the element portions for forming a respective separating element directly merge into each other and are integrally formed on each other. Also for the curved design of the separating elements, the additive manufacturing process is particularly suitable.
  • turbulence generating elements in the fluid channels. These serve to generate turbulence in the fluid flowing through the fluid channels.
  • a plurality of extensions projects from the separating elements for this purpose.
  • the extensions are in this case arranged on the respective separating element such that the extensions protrude into the fluid channel bounded by the respective separating element.
  • the additive manufacturing process is particularly suitable for the formation of the turbulence generating elements on the separating elements.
  • the extensions can each protrude substantially transversely from the separating element, on which they are formed.
  • the individual projections provided on a specific separating element substantially equidistant from each other.
  • the invention further relates to a waste heat utilization device with a previously presented heat exchanger.
  • each schematically 1 shows an example of a heat exchanger according to the invention in a perspective view
  • FIG. 4 shows a variant of the example of FIG. 3
  • Tubular bodies existing dividing elements.
  • FIG. 1 shows a perspective illustration of an example of a heat exchanger 1 according to the invention.
  • FIG. 2 shows an enlarged partial view of FIG. 1. Below it is assumed that this is used as intercooler. It is understood that the heat exchanger 1 can also be used as a coolant radiator.
  • the heat exchanger 1 comprises a plurality of fluid paths 2, through which a fluid (see arrows X in Figure 2) along a fluid flow direction F can flow.
  • Each fluid path 2 is bounded by a tubular body 3, wherein the tubular body 3 are stacked along a stacking direction S.
  • Each tube body 3 extends along a tube body extension direction E, which runs parallel to a longitudinal side 15 of the tube body 3 and orthogonal to the fluid flow direction.
  • the fluid flow direction F thus runs parallel to a transverse side 19 of the tubular body 3 (see Fig. 2).
  • the tube extension direction E also runs orthogonal to the stacking direction S.
  • the tube bodies 3 can be designed as flat tubes as shown in FIG. FIG. 3 shows by way of example a fluid path 2 in a cross section perpendicular to the stacking direction S and along the sectional plane III-III of FIG. 1. It can be seen that in the fluid path 2 forming the tubular body 3, a plurality of separating elements 4 is arranged, which divides the fluid path 2 into a plurality of fluidically separated fluid channels 5.
  • the fluid channels 5 extend along the already mentioned fluid flow direction F which is orthogonal to the stacking direction S.
  • FIG. 1 A gas path 7 is in each case formed through the intermediate spaces 6 for flowing through with a gas to be cooled by the fluid.
  • the gas paths 7 are realized in such a way that the gas (see arrows Y in FIG. 3) flows along the gas flow direction G through the gas paths 7.
  • a rib structure 14 may be provided.
  • the interspaces 6 for introducing and discharging the gas are designed to be open at opposite ends of the heat exchanger 1, along the direction of fluid flow F. Through these openings 20, the gas in the interstices 6 and 7 gas paths and be discharged again.
  • the gas flow direction G and the fluid flow direction F are opposite to each other for the realization of the invention countercurrent principle for the gas and the fluid.
  • the countercurrent principle it is achieved that there is always a temperature gradient between gas and fluid. This ensures that heat exchange takes place between the gas and the fluid over the entire gas or fluid paths 7, 2. This leads to a particularly high efficiency of the heat exchanger 1.
  • the individual separating elements 4 are each formed longitudinally. That is, the respective partition member 4 has an element length I measured along the fluid flow direction F, which is at least ten times a member width b measured transversely to the fluid flow direction F. In this way, a large number of fluid channels 5 running fluidically relative to one another can be arranged in each fluid path 2 with a small space requirement.
  • the element length I is at least twenty times the element width b, more preferably at least fifty times.
  • Each fluid path 2 has, in the fluid flow direction F, a first fluid path end section 8a and a second fluid path end section 8b opposite the first fluid path end section 8a.
  • the first fluid path end section 8a can fluidly connect all the fluid channels 5 separated by the separating elements 4.
  • the second fluid path end section 8b also fluidly connects all the fluid channels 5 separated by the separating elements 4.
  • Such a fluidic connection can be realized, for example, by designing a width b of the tubular body 3 running along the fluid flow direction F greater than the length I of the dividing elements 4. Then, the fluid entering the tubular body 3 can be applied to the individual fluid channels 5 as desired distributed and after flowing through the fluid channels 5 are again merged from these and collected.
  • the heat exchanger 1 may comprise a fluid distributor 9 that is fluidically connected to the first fluid path end section 8 a. This serves to distribute the fluid introduced into the fluid distributor 9 via a fluid inlet 1 1 onto the fluid channels 5 formed in the fluid paths 2.
  • the heat exchanger 1 has a fluid collector 10 that is fluidically connected to the second fluid path end section 8b. It serves to collect the fluid again after flowing through the fluid paths 2 or the fluid channels 5 and to discharge it from the heat exchanger 1 via a fluid outlet 12.
  • exactly one fluid distributor 9 and exactly one fluid collector 10 are provided in the heat exchanger 1.
  • the fluid distributor 9 and the fluid collector 10 are arranged on longitudinal ends 13 of the tubular bodies 3 opposite one another in the tubular body extension direction E of the tubular body 3.
  • the flow through the heat exchanger 1 with the fluid takes place as follows:
  • the fluid is introduced into the fluid distributor 9 via the fluid inlet 12 and distributed by the latter to the individual fluid paths 2 or tubular bodies 3.
  • the fluid is distributed from the first fluid path end section 8 a to the individual fluid channels 5 of the fluid path 3.
  • the fluid is collected in the respective second fluid path end section 8 b and collected from the individual fluid paths 2 in the common fluid collector 10.
  • the fluid thus enters in the region of one of the two longitudinal ends 13 of the tubular body 3 in the fluid paths 2, on which the fluid distributor 9 is arranged. Accordingly, the fluid exits in the region of the other longitudinal end 13 of the tubular body 3 again from the fluid paths 2, on which the fluid collector 10 is arranged.
  • FIG. 4 shows a variant of the heat exchanger of FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 4 shows this variant in a representation analogous to FIG. 3, ie in a cross section perpendicular to the stacking direction S.
  • the heat exchanger 1 has two fluid distributors 9 and two fluid collector 10.
  • the tubular body 3 extend along the tubular body extension direction E, which is parallel to the longitudinal side 15 of the tubular body.
  • a fluid distributor 9 and a fluid collector 10 separate from the fluid are arranged at each of the two longitudinal ends 13 of the tubular body 3.
  • the fluid flows through the two fluid inlet 11 into the two fluid distributors 9 opposite one another in the tube body extension direction E and from there onto the respective first fluid path end sections 8a individual fluid paths 2 and tube body 3 distributed.
  • the fluid is distributed from the first fluid path end section 8 a to the individual fluid channels 5 of the respective fluid path 2.
  • the fluid After flowing through the fluid channels 5, the fluid is collected in the second fluid path end sections 8b of the fluid paths 2 or tube bodies 3 and flows from there into one of the two fluid collectors 10, which lie opposite each other in the tube body extension direction E. From the fluid collector 10, the fluid is discharged from the heat exchanger 1 via the respective fluid outlet 12.
  • a particularly uniform heat exchange can be achieved in the heat exchanger 1.
  • Separating elements 4 may be web-like.
  • the separating elements 4 are integrally formed on the respective, the fluid channel 5 limiting tubular body 3. If the formation of eddy currents etc. in the fluid flowing through the fluid channels 5 is to be avoided, a rectilinear design of the separating elements 4 along the fluid throughflow direction F is recommended.
  • FIG. 7 shows a further variant in which the separating elements 4 in the cross section of the heat exchanger 1 perpendicular to the stacking direction S have a wave-like geometry. That is, the respective partition member 4 is formed as shown in Figure 7 along the fluid flow direction F of the heat exchanger 1 and the tubular body 3 curved. In a simplified variant, such a curved formation of the separating elements 4 can also take place only in sections.
  • turbulence generating elements 17 in the fluid passages 5 proves to be advantageous.
  • These can, as shown in FIG. 8 for rectilinear dividing elements 4, be realized as extensions 18 which protrude laterally from the dividing elements 4.
  • the extensions 18 are formed integrally on the separating elements 4.
  • the extensions 18 are formed on the respective separating element 4, as shown in FIG. 8, in such a way that they protrude into the fluid channel 5 delimited by the respective separating element 4.
  • the separating elements 4 are formed in a straight line.
  • the extensions 18 are each orthogonal, from the separating elements 4 and protrude into the fluid channel 5 delimited by the separating element 4.
  • the extensions 18 can also protrude from the separating elements at a different angle.
  • FIGS. 9 and 10 show further variants of the examples of FIGS. 5 to 7.
  • FIG. 9 shows a combination of the examples of FIGS. 6 and 8.
  • the separating elements 4 of FIG. 9 each comprise a plurality of element sections 16.
  • the element sections 16 of FIG Separating elements according to FIG. 9 are integrally formed on one another and complement each other to form the separating element 4.
  • rigid element sections 16 are arranged perpendicular to the stacking direction S at an obtuse angle, ie at an angle to one another.
  • FIG. 10 shows a combination of the examples of FIGS. 7 and 8.
  • the separating elements 4 have a wave-like geometry. That is, the respective partition member 4 is curved as shown in Figure 7 along the fluid flow direction F of the heat exchanger 1 and the tubular body 3, in particular wave-shaped. In a simplified variant, such a curved or wavy formation of the separating elements 4 can also take place only in sections.
  • the extensions 18 each protrude transversely, preferably orthogonally, from the separating elements 4 and protrude into the fluid channel 5 delimited by the separating element 4.
  • Fluid flow direction F adjacent extensions 18 on opposite sides of the separating elements 4 from.
  • Two extensions 18 which are adjacent in the fluid flow direction F thus protrude into two adjacent fluid channels 5.
  • an equidistant arrangement of the individual extensions 18 along the fluid throughflow direction F shown in FIGS. 6 to 8 is recommended.
  • the heat exchanger 1 according to FIGS. 1 to 4 can be produced in a particularly simple manner and with low production costs by using an additive manufacturing method such as, for example, laser sintering.
  • additive production process encompasses all production processes which build up the component in layers directly from a computer model.
  • the use of an additive manufacturing method allows the individual components of the heat exchanger, such as tubular bodies including separators, fin structure, fluid manifolds and fluid collectors, etc., to be directly defined as a CAD model and made directly from such a CAD model.
  • the heat exchanger 1 may be formed in one piece. Such a one-piece design is formed, in particular, when using the above-described additive manufacturing process, in particular the said laser sintering. In a one-piece design of the heat exchanger 1 eliminates the very costly and therefore costly attaching the individual components of the heat exchanger together. For example, the cohesive fastening of the individual tubular bodies 3 to the rib structures 14, for example by means of a welded or soldered connection, and the cohesive fastening of fluid distributor 9 and fluid collector 10 to the tubular bodies 3 are eliminated. This leads to considerable cost advantages in the production of the heat exchanger 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1), insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, - mit einer Mehrzahl von Fluidpfaden (2) zum Durchströmen mit einem Fluid, wobei jeder Fluidpfad (2) wenigstens teilweise von einem Rohrkörper (3) begrenzt ist, wobei die Rohrkörper (3) sich entlang einer Rohrerstreckungsrichtung (E) erstrecken und entlang einer Stapelrichtung (S) stapelartig aufeinander angeordnet sind, - wobei durch einen Zwischenraum (6), welcher zwischen zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten Rohrkörpern (3) vorhanden ist, jeweils ein Gaspfad (7) zum Durchströmen mit einem Gas entlang einer Gasdurchströmungsrichtung (G) ausgebildet ist, - wobei in den Fluidpfaden (2) jeweils benachbart zueinander eine Mehrzahl von Trennelementen (4) angeordnet ist, welche jeden Fluidpfad (2) in eine Mehrzahl von Fluidkanälen (5) unterteilen, die sich jeweils entlang einer Fluid-Durchströmungsrichtung (F) erstrecken, - wobei die Fluid-Durchströmungsrichtung (F) orthogonal zur Rohrkörper-Erstreckungsrichtung (E) verläuft.

Description

Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, sowie eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem solchen Wärmetauscher.
Als Wärmetauscher oder Wärmeübertrager wird gemeinhin eine Vorrichtung bezeichnet, die Wärme von einem Stoffstrom auf einen anderen Stoffstrom überträgt. Wärmetauscher kommen beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz, um in einer mit der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zusammenwirkenden Frischluftanlage die mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Frischluft zu kühlen. Hierzu wird die zu kühlende Frischluft, also ein Gas, in den Wärmetauscher eingeleitet, wo sie thermisch mit einem Fluid in Form eines ebenfalls in den Wärmetauscher eingebrachten Kühlmittels wechselwirkt und auf diese Weise Wärme an das Kühlmittel abgibt. Derartige Wärmetauscher werden als Ladeluftkühler bezeichnet. Umgekehrt können Wärmetauscher aber auch dazu verwendet werden, ein flüssiges Kühlmittel mittels eines Gases zu kühlen. Solche Wärmetauscher werden als Kühlmittelkühler bezeichnet.
Ein derartiger Wärmetauscher kann beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgestaltet sein und mehrere Rohrkörper aufweisen, die typischerweise in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt sind, wobei zwischen den Platten eines Rohrkörpers ein Kühlmittelpfad ausgebildet wird, durch den das Kühlmittel geführt wird. In einem zwischen zwei benachbarten Rohrkörpern ausgebildeten Zwischenraum kann fluidisch getrennt zum Kühlmittel das zu kühlende Medium, etwa die in einem Abgasturbolader aufgeladene Frischluft, geführt werden, so dass das Kühlmittel durch die Rohrkörper hindurch in thermische Wechselwirkung mit der zu kühlenden Frischluft gesetzt werden kann. Zur Verbesserung des Wärmeaus- tauschs können zwischen benachbarten Rohrkörpern zusätzlich Rippenstrukturen vorgesehen werden, welche die für die thermische Wechselwirkung zur Verfügung stehende Wechselwirkungsfläche der Rohrkörper erhöhen. Derartige Konstruktionen sind dem Fachmann als sogenannte„Rippe-Rohr-Wärmetauscher" geläufig.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmetauschern mit verbesserter Effizienz, insbesondere für Kraftfahrzeuge, neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, den Wärmetauscher im Gegenstromprinzip zu realisieren, derart, dass eine Gas-Durchströmungsrichtung für das durch den Wärmetauscher geführte Gas im Wesentlichen entgegengesetzt, also unter einem 180° Winkel, zu einer Fluid-Durchströmungsrichtung des durch den Wärmetauscher geführten Fluids erläuft. Unter„Gas-Durchströmungsrichtung" wird dabei diejenige Richtung verstanden, entlang welcher das Gas durch den Wärmetauscher strömt, während es mit dem Fluid in thermische Wechselwirkung tritt. Es versteht sich, dass ein Teil des durch den Wärmetauscher strömenden Gases abschnittsweise auch in eine Richtung strömen kann, die von der Gas- Durchströmungsrichtung abweicht. Dies kann etwa der Fall sein, wenn sich im Gasstrom Strömungswirbel ausbilden. Bei der Gas-Durchströmungsrichtung handelt es sich also um eine Hauptströmungsrichtung des durch den Wärmetauscher strömenden Gases, die lokal variieren kann. Gleiches gilt mutatis mutandis für das den Wärmetauscher durchströmende Fluid und dessen Fluid-Durchströmung- richtung. Das hier vorgeschlagene, erfindungswesentliche Prinzip kann sowohl in einem als Ladeluftkühler realisierten Wärmetaucher als auch in einem als Kühlmittelkühler realisierten Wärmetaucher angewandt werden.
Für die konstruktive Realisierung des erfindungswesentlichen Gegenstrom- Prinzips umfasst ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eine Mehrzahl von Flu- idpfaden zum Durchströmen mit einem Fluid. Jeder Fluidpfad ist wenigstens teilweise von einem Rohrkörper begrenzt. Die Rohrkörper erstrecken sich jeweils entlang einer Rohrkörper-Erstreckungsrichtung und sind entlang einer Stapelrichtung stapelartig aufeinander angeordnet. In den die Fluidpfade ausbildenden Rohrkörpern sind jeweils wenigstens zwei Trennelemente angeordnet, welche den betreffenden Fluidpfad in eine entsprechende Anzahl an Fluidkanälen unterteilt. Sind zwei Trennelemente vorhanden, so entstehen drei Fluidkanäle, bei drei Trennelementen werden vier Fluidkanäle gebildet usw. Die Fluidkanäle erstrecken sich entlang der bereits erläuterten Fluid-Durchströmungsrichtung.
Zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten Rohrkörpern ist jeweils ein Zwischenraum ausgebildet. Durch jeden solchen Zwischenraum ist jeweils ein Gaspfad zum Durchströmen mit dem Gas entlang einer Gas-Durchströmungsrichtung ausgebildet.
Für die erfindungsgemäße Realisierung des Gegenstromprinzips von Gas und Fluid muss die Fluid-Durchströmungsrichtung entgegengesetzt zur Gas- Durchströmungsrichtung verlaufen. Dies wird beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher erreicht, indem die Trennelemente, die entlang der Fluid- Durchströmungsrichtung angeordnet sind, orthogonal zur Rohrkörper- Erstreckungsrichtung angeordnet sind. Im Ergebnis verläuft die Gas- Durchströmungsrichtung wie gewünscht entgegengesetzt zur Fluid- Durchströmungsrichtung des durch die Fluidkanäle strömenden Fluids. Dies gilt insbesondere für denjenigen Bereich der Gas- bzw. Fluidpfade, in welchem die thermische Wechselwirkung zwischen Gas und Fluid stattfindet. In den für die Praxis relevantesten Fällen dient der Wärmetauscher dazu, das durch die Gaspfade strömende Gas durch Wärmeaustausch mit dem Fluid zu kühlen oder umgekehrt das Fluid mittels des Gases zu kühlen. Mittels des Gegenstromprinzips wird erreicht, dass immer ein Temperaturgefälle zwischen Gas und Fluid besteht. Somit ist sichergestellt, dass über die gesamten Gas- bzw. Fluidpfade hinweg ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Fluid stattfindet. Dies führt im Ergebnis zu einer verbesserten Effizienz des Wärmetauschers.
Vorzugsweise sind die Zwischenräume zum Ein- und Ausleiten des Gases an entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers offen ausgebildet. In dieser Variante verläuft die Gas-Durchströmungsrichtung somit zwischen den beiden gegenüberliegenden Öffnungen entgegengesetzt zur Fluid-Durchströmungsrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in jedem einen Gaspfad ausbildenden Zwischenraum eine Rippenstruktur vorhanden. An dieser Rippenstruktur stützen sich in Stapelrichtung benachbarte Rohrkörper ab. Mittels der Rippenstrukturen kann die effektive Fläche der Rohrkörper, die für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht, vergrößert werden. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Effizienz des Wärmetauschers.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Trennelemente jeweils längsförmig ausgebildet. Das heißt, das jeweilige Trennelement besitzt eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung gemessene Elementlänge, die wenigstens das Zehnfache einer quer zur Fluid-Durchströmungsrichtung gemessenen Elementbreite beträgt. Auf diese Weise lässt sich in den Fluidpfaden bei geringem Bauraumbedarf eine Vielzahl von fluidisch zueinander getrennt verlaufenden Fluidkanälen realisieren. Bevorzugt beträgt daher die Elementlänge wenigs- tens das Zwanzigfache der Elementbreite, besonders bevorzugt wenigstens das Fünfzigfache.
Besonders zweckmäßig sind in einem bezüglich der Fluid-Durchströmungs- richtung ersten Fluidpfad-Endabschnitt wenigstens eines Fluidpfads keine Trennelemente vorgesehen. Dies bedeutet, dass der erste Fluidpfad-Endabschnitt alle durch die Trennelemente getrennten Fluidkanäle fluidisch miteinander verbindet, Zusätzlich sind in analoger Weise in einem dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung gegenüberliegenden zweiten Fluidpfad-Endabschnitt keine Trennelemente vorhanden. Dies bedeutet, dass der zweite Fluidpfad-Endabschnitt alle durch die Trennelemente getrennten Fluidkanäle fluidisch miteinander verbindet. Diese Maßnahmen erlauben es, das in die Rohrkörper eintretende Fluid effektiv auf die einzelnen Fluidkanäle zu verteilen und wieder aus diesen zu sammeln, ohne dass hierzu aufwändige Zuleitungen erforderlich wären. Dies führt bei dem Wärmetauscher zu einem reduzierten Bauraumbedarf und somit auch zu reduzierten Herstellungskosten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind daher die beiden Fluidpfad- Endabschnitte aller Fluidpfade in der vorangehend beschriebenen Form realisiert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform besitzt der Wärmetauscher wenigstens einen fluidisch mit dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt verbundenen Fluidverteiler. Dieser dient dazu, das in den Wärmetauscher eingebrachte Fluid auf die Mehrzahl von Fluidpfaden zu verteilen. Entsprechend besitzt der Wärmetauscher wenigstens einen fluidisch mit dem zweiten Fluidpfad-Endabschnitt verbundenen Fluidsammler. Der Fluidsammler dient dazu, das Fluid nach dem Durchströmen der Fluidpfade wieder zu sammeln, bevor es aus dem Wärmetauscher abgeführt wird. In einer besonders Bauraum sparenden Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Rohrkörper parallel zu einer Längsseite der Rohrkörper. In dieser Ausfüh- rungsform sind in dem Wärmetauscher genau ein Fluidverteiler und genau ein Fluidsammler vorhanden. Der Fluidverteiler und der Fluidsammler sind dabei an einander in Rohrkörper-Erstreckungsrichtung der Rohrkörper gegenüberliegen Längsenden angeordnet. Das Fluid wird vom Fluidverteiler zunächst auf die einzelnen Fluidpfade verteilt. In den einzelnen Fluidpfaden wird das Fluid vom ersten Fluidpfad-Endabschnitt auf die verschiedenen Fluidkanäle verteilt. Nach dem Durchströmen der Fluidkanäle eines jeweiligen Fluidpfads wird das Fluid in jedem Fluidpfad im zweiten Fluidpfad-Endabschnitt gesammelt und aus den einzelnen Fluidpfaden im gemeinsamen Fluidsammler gesammelt. Bei der hier vorgestellten Geometrie tritt also das Fluid im Bereich des Längsendes der Rohrkörper in die Fluidpfade ein, an welchem der Fluidverteiler angeordnet ist. Entsprechend tritt das gesamte Fluid im Bereich des Längsendes der Rohrkörper wieder aus den Fluidpfaden aus, an welchem der Fluidsammler angeordnet ist. Ein in dieser Weise realisierter Wärmetäuscher ist besonders einfach aufgebaut, woraus sich erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung ergeben.
In einer anderen Bauraum sparenden Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Rohrkörper ebenfalls parallel zu einer Längsseite der Rohrkörper. In dieser Variante besitzt der Wärmetauscher jedoch zwei Fluidverteiler und zwei Fluidsammler. Dabei sind an jedem der beiden Längsenden der Rohrkörper jeweils ein Fluidverteiler und ein fluidisch von diesem getrennter Fluidsammler angeordnet. Mittels einer derartigen Geometrie kann im Wärmetauscher ein besonders gleichmäßiger Wärmeaustausch zwischen Gas und Fluid erreicht werden.
Besonders zweckmäßig verläuft die Rohr-Erstreckungsrichtung senkrecht sowohl zur Stapelrichtung als auch zur Fluid-Durchströmungsrichtung. Ein derart gestalteter Wärmetauscher benötigt besonders wenig Bauraum. Ein Wärmetauscher mit den vorangehend erläuterten, erfindungsgemäßen Merkmalen - einschließlich der vorangestellten optionalen Merkmale - kann besonders einfach und mit besonders geringen Herstellungskosten in Serienfertigung durch Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Vom dem Begriff "additives Herstellungsverfahren" sind dabei alle Herstellungsverfahren umfasst, welche das Bauteil unmittelbar aus einem Computermodell heraus schichtweise erzeugen. Derartige Herstellungsverfahren sind auch unter der Bezeichnung "Rapid Forming" bekannt. Unter dem Begriff "Rapid Forming" sind dabei insbesondere Produktionsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung von Bauteilen mittels werkzeugloser Fertigung direkt aus CAD-Daten ge- fasst. Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens ermöglicht auf einfache und flexible Weise die Herstellung. Insbesondere gilt dies für die Herstellung der erfindungswesentlichen Trennelemente. Denn die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens erlaubt es, die einzelnen Komponenten des Wärmetauschers wie etwa Rohrkörper einschließlich Trennelementen, Rippenstruktur, Fluidverteiler und Fluidsammler etc. direkt als CAD-Modell zu definieren und aus einem solchen CAD-Modell heraus direkt zu fertigen.
Bevorzugt kann das additive Herstellungsverfahren Lasersintern umfassen. Dies bedeutet, dass zum Herstellen des Wärmetauschers ein Lasersinterverfahren verwendet wird. Ein solches Lasersinterverfahren ist auch unter dem Begriff "Laserschmelzen" bekannt. Mittels eines solchen Verfahrens kann der des direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt werden. Grundsätzlich wird der Wärmetauscher beim Lasersintern werkzeuglos und schichtweise auf Basis des dem Wärmetauscher zugeordneten dreidimensionalen CAD-Modells gefertigt.
Vorzugsweise kann der Wärmetauscher einstückig ausgebildet sein. Eine solche, einstückige Ausbildung bildet sich insbesondere bei Verwendung des vorange- hend vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des Lasersin- terns, an. Mittels einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers entfällt das sehr aufwändige und somit kostenintensive Befestigen der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers aneinander. Beispielsweise entfallen das stoffschlüssige Befestigen der einzelnen Rohrkörper an den Rippenstrukturen sowie das stoffschlüssige Befestigen von Fluidverteiler und Fluidsammler an den Rohrkörpern.
Besonders bevorzugt können die Trennelemente stegartig ausgebildet und integral an dem jeweiligen, den ersten Fluidkanal begrenzenden Rohrkörper ausgeformt sein. In diesem Szenario bilden zwei benachbarte Trennelemente zusammen mit dem Rohrkörper für jeden Fluidkanal einen Rohrkörper aus, durch welchen der Fluidkanal begrenzt wird.
Soll die Ausbildung von Wirbelströmen etc. in dem durch die Fluidkanäle strömenden Fluid vermieden werden, so empfiehlt sich eine entlang der Fluid- Durchströmungsrichtung geradlinige Ausbildung der Trennelemente.
Soll das Strömungsbild des durch die Fluidkanäle strömenden Fluids hingegen gezielt beeinflusst werden, etwa um mit Hilfe von Wirbelströmungen den Wärmeaustausch mit dem Gas zu erhöhen, so erweist sich eine nicht-geradlinige Ausbildung der Trennelemente als besonders vorteilhaft. In diesem Fall wird vorgeschlagen, die Trennelemente in wenigstens zwei Elementabschnitte zu unterteilen, die in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung winkelig zueinander angeordnet sind. Da mit einer solchen Geometrie lokale Variationen der Kanalbreite der Fluidkanäle entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung verbunden sind, werden auf diese Weise die gewünschten Änderungen im Strömungsbild des Fluids erzeugt. Besonders bevorzugt sind daher nicht nur zwei Elementabschnitte, sondern eine Mehrzahl von Elementabschnitten vorgesehen. Besonders zweckmäßig können benachbarte Elementabschnitte in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung unter einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sein. Die Ausbildung von Trennelementen mit geradliniger oder nicht-geradliniger Geometrie lässt sich besonders einfach mittels des oben vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens realisieren.
In einer dazu alternativen Ausführungsform können die Trennelemente in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung wenigstens abschnittsweise gekrümmt ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Strömung des Fluids durch die Fluid- kanäle optimiert werden. Es versteht sich, dass bei den vorangehend genannten Ausbildungsformen die Elementabschnitte zur Ausbildung eines jeweiligen Trennelements unmittelbar ineinander übergehen und integral aneinander ausgeformt sind. Auch für die gekrümmte Ausbildung der Trennelemente eignet sich das additive Herstellungsverfahren in besonderem Maße.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Bereitstellung von Turbulenzerzeugungselementen in den Fluidkanälen. Diese dienen zur Erzeugung von Turbulenzen in dem durch die Fluidkanäle strömenden Fluid. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steht zu diesem Zweck von den Trennelementen jeweils eine Mehrzahl von Fortsätzen ab. Die Fortsätze sind dabei derart am jeweiligen Trennelement angeordnet, dass die Fortsätze in den vom jeweiligen Trennelement begrenzten Fluidkanal hineinragen. Für die Ausbildung der Turbulenzerzeugungselemente an den Trennelementen eignet sich das additive Herstellungsverfahrens in besonderem Maße.
Besonders zweckmäßig können die Fortsätze jeweils im Wesentlichen quer von dem Trennelement abstehen, an welchem sie ausgeformt sind. Zum Ausgleich von Druckverlusten in dem durch die Fluidkanäle strömenden Fluid empfiehlt es sich, die einzelnen, an einem bestimmten Trennelements vorgesehenen Fortsätze im Wesentlichen äquidistant zueinander anzuordnen.
Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausführungsform, bei welcher wenigstens zwei an einem Trennelement ausgebildete Fortsätze an einander gegenüberliegenden Seiten von diesem abstehen, Dies bedeutet, dass in beide von diesem Trennelement getrennt Fluidkanäle wenigstens ein Fortsatz hineinragt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem vorangehend vorgestellten Wärmetauscher.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch Fig. 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung der Figur 1
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher entlang der Schnittebene III-III der Figur 1 ,
Fig. 4 eine Variante des Beispiels der Figur 3
Fig. 5-10 verschiedene Beispiele für mögliche Realisierungsformen der in den
Rohrkörpern vorhandenen Trennelemente.
Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 . Figur 2 zeigt eine vergrößerte Teildarstellung der Figur 1 . Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass dieser als Ladeluftkühler Verwendung findet. Es versteht sich, dass der Wärmetauscher 1 aber auch als Kühlmittelkühler verwendet werden kann. Entsprechend den Figuren 1 und 2 um- fasst der Wärmetauscher 1 eine Mehrzahl von Fluidpfaden 2, durch welche ein Fluid (vgl. Pfeile X in Figur 2) entlang einer Fluid-Durchströmungsrichtung F strömen kann. Jeder Fluidpfad 2 ist wird von einem Rohrkörper 3 begrenzt, wobei die Rohrkörper 3 entlang einer Stapelrichtung S stapelartig aufeinander angeordnet sind. Jeder Rohrkörper 3 erstreckt sich entlang einer Rohrkörper- Erstreckungsrichtung E, die parallel zu einer Längsseite 15 des Rohrkörpers 3 und orthogonal zur Fluid-Durchströmungs-richtung verläuft. Die Fluid- Durchströmungsrichtung F verläuft also parallel zu einer Querseite 19 der Rohrkörper 3 (vgl. Fig. 2). Die Rohr-Erstreckungsrichtung E verläuft auch orthogonal zur Stapelrichtung S. Die Rohrkörper 3 können wie in Figur 2 gezeigt als Flachrohre ausgebildet sein. Die Figur 3 zeigt exemplarisch einen Fluidpfad 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S und entlang der Schnittebene III-III der Figur 1 . Man erkennt, dass in dem den Fluidpfad 2 ausbildenden Rohrkörper 3 eine Mehrzahl von Trennelementen 4 angeordnet ist, welche den Fluidpfad 2 in eine Mehrzahl von fluidisch getrennten Fluidkanälen 5 unterteilt. Die Fluidkanäle 5 erstrecken sich entlang der bereits erwähnten Fluid-Durchströmungsrichtung F, die orthogonal zur Stapelrichtung S verläuft.
Betrachtet man nun wieder die Figuren 1 und 2, so erkennt man, dass zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten Rohrkörpern 3 jeweils ein Zwischenraum 6 ausgebildet ist. Durch die Zwischenräume 6 wird jeweils ein Gaspfad 7 zum Durchströmen mit einem vom Fluid zu kühlenden Gas ausgebildet. Die Gaspfade 7 sind dabei derart realisiert, dass das Gas (vgl. Pfeile Y in Figur 3) entlang der Gas-Durchströmungsrichtung G durch die Gaspfade 7 strömt. In jedem Zwischenraum 6 kann eine Rippenstruktur 14 vorgesehen sein. An der Rippenstruktur 14 stützen sich in Stapelrichtung S benachbarte Rohrkörper 3 ab. Mittels der Rippenstrukturen 14 wird die effektive, für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Wechselwirkungsfläche der Rohrkörper 3 vergrößert. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Effizienz des Wärmetauschers 1 . Wie Figur 1 erkennen lässt, sind die Zwischenräume 6 zum Ein- und Ausleiten des Gases an entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers 1 offen ausgebildet. Durch diese Öffnungen 20 kann das Gas in die Zwischenräume 6 bzw. Gaspfade 7 ein- und wieder ausgeleitet werden.
Die Gas-Durchströmungsrichtung G und die Fluid-Durchströmungsrichtung F verlaufen zur Realisierung des erfindungswesentlichen Gegenstromprinzips für das Gas und das Fluid entgegengesetzt zueinander. Dies bedeutet, dass das Gas (Pfeile Y) und das Fluid (Pfeile X) in entgegengesetzter Richtung durch die Gas- bzw. Fluidpfade 7, 2 geführt werden. Dies gilt insbesondere für diejenigen Bereiche der Gas- bzw. Fluidpfade 7, 2, in welchen die thermische Wechselwirkung zwischen Gas und Fluid stattfindet. Mittels des Gegenstromprinzips wird erreicht, dass immer ein Temperaturgefälle zwischen Gas und Fluid besteht. Somit ist sichergestellt, dass über die gesamten Gas- bzw. Fluidpfade 7, 2 hinweg ein Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Fluid stattfindet. Dies führt zu einer besonders hohen Effizienz des Wärmetauschers 1 .
Wie Figur 3 weiter erkennen lässt, sind die einzelnen Trennelemente 4 jeweils längsförmig ausgebildet. Das heißt, das jeweilige Trennelement 4 besitzt eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F gemessene Elementlänge I, die wenigstens das Zehnfache einer quer zur Fluid-Durchströmungsrichtung F gemessenen Elementbreite b beträgt. Auf diese Weise lässt sich in jedem Fluidpfad 2 bei geringem Bauraumbedarf eine Vielzahl von fluidisch zueinander getrennt verlaufenden Fluidkanälen 5 anordnen. Bevorzugt beträgt die Elementlänge I wenigstens das Zwanzigfache der Elementbreite b, besonders bevorzugt wenigstens das Fünfzigfache. Jeder Fluidpfad 2 weist in der Fluid-Durchströmungsrichtung F einen ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a und einen dem ersten Fluidpfad- Endabschnitt 8a gegenüberliegenden, zweiten Fluidpfad-Endabschnitt 8b auf. Im Bereich der beiden Fluidpfad-Endabschnitte 8a, 8b sind keine Trennelemente 4 ausgebildet, was bedeutet, dass der erste Fluidpfad-Endabschnitt 8a alle durch die Trennelemente 4 getrennten Fluidkanäle 5 fluidisch miteinander verbinden kann. Entsprechend verbindet auch der zweite Fluidpfad-Endabschnitt 8b alle durch die Trennelemente 4 getrennten Fluidkanäle 5 fluidisch miteinander. Eine solche fluidische Verbindung kann beispielsweise realisiert werden, indem eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F verlaufende Breite b der Rohrkörper 3 größer konzipiert wird als die Länge I der Trennelemente 4. Dann kann das in die Rohrkörper 3 eintretende Fluid wie gewünscht auf die einzelnen Fluidkanäle 5 verteilt und nach dem Durchströmen der Fluidkanäle 5 wieder aus diesen zusammengeführt und gesammelt werden.
Wie die Figuren 2 und 3 belegen, kann der Wärmetauscher 1 einen fluidisch mit dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a verbundenen Fluidverteiler 9 umfassen. Dieser dient dazu, das über einen Fluideinlass 1 1 in den Fluidverteiler 9 eingebrachte Fluid auf die in den Fluidpfaden 2 gebildeten Fluidkanäle 5 zu verteilen. Ebenso besitzt der Wärmetauscher 1 einen fluidisch mit dem zweiten Fluidpfad- Endabschnitt 8b verbundenen Fluidsammler 10. Dieser dient dazu, das Fluid nach dem Durchströmen der Fluidpfade 2 bzw. der Fluidkanäle 5 wieder zu sammeln und über einen Fluidauslass 12 aus dem Wärmetauscher 1 abzuführen. In dem Beispiel gemäß Figur 3 sind in dem Wärmetauscher 1 genau ein Fluidverteiler 9 und genau ein Fluidsammler 10 vorgesehen. Der Fluidverteiler 9 und der Fluidsammler 10 sind dabei an einander in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E der Rohrkörper 3 gegenüberliegenden Längsenden 13 der Rohrkörper 3 angeordnet.
Das Durchströmen des Wärmetauschers 1 mit dem Fluid geschieht wie folgt: Das Fluid wird über den Fluideinlass 12 in den Fluidverteiler 9 eingebracht und von diesem auf die einzelnen Fluidpfade 2 bzw. Rohrkörper 3 verteilt. In den einzelnen Fluidpfaden 3 wird das Fluid vom ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a auf die einzelnen Fluidkanäle 5 des Fluidpfads 3 verteilt. Nach dem Durchströmen der Fluidkanäle 5 wird das Fluid im jeweiligen zweiten Fluidpfad-Endabschnitt 8b gesammelt und aus den einzelnen Fluidpfaden 2 in dem gemeinsamen Fluidsammler 10 gesammelt. Das Fluid tritt also im Bereich eines der beiden Längsenden 13 der Rohrkörper 3 in die Fluidpfade 2 ein, an welchem der Fluidverteiler 9 angeordnet ist. Entsprechend tritt das Fluid im Bereich des anderen Längsendes 13 der Rohrkörper 3 wieder aus den Fluidpfaden 2 aus, an welchem der Fluidsammler 10 angeordnet ist. Die Figur 4 zeigt eine Variante des Wärmetauschers der Figuren 1 bis 3. Die Figur 4 zeigt diese Variante in einer zur Figur 3 analogen Darstellung, also in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S. Im Beispielszenario der Figur 4 besitzt der Wärmetauscher 1 zwei Fluidverteiler 9 und zwei Fluidsammler 10. Auch im Beispiel der Figur 4 erstrecken sich die Rohrkörper 3 entlang der Rohrkörper- Erstreckungsrichtung E, die parallel zur Längsseite 15 der Rohrkörper verläuft. Dabei sind an jedem der beiden Längsenden 13 der Rohrkörper 3 jeweils ein Fluidverteiler 9 und ein fluidisch von diesem getrennter Fluidsammler 10 angeordnet.
Das Durchströmen des Wärmetauschers 1 der Figur 4 mit dem Fluid geschieht wie folgt: Das Fluid wird über die beiden Fluideinlasse 1 1 in die beiden einander in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E gegenüberliegenden Fluidverteiler 9 eingebracht und von diesen auf die jeweiligen ersten Fluidpfad-Endabschnitte 8a der einzelnen Fluidpfade 2 bzw. Rohrkörper 3 verteilt. In den einzelnen Fluidpfa- den 2 wird das Fluid vom ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a auf die einzelnen Flu- idkanäle 5 des jeweiligen Fluidpfads 2 verteilt. Nach dem Durchströmen der Flu- idkanäle 5 wird das Fluid in den zweiten Fluidpfad-Endabschnitten 8b der Fluidpfade 2 bzw. Rohrkörper 3 gesammelt und strömt von dort in einen der beiden Fluidsammler 10, die einander in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E gegenüberliegen. Aus dem Fluidsammler 10 wird das Fluid über den jeweiligen Flu- idauslass 12 aus dem Wärmetauscher 1 ausgeleitet. Mittels der in Figur 4 gezeigten Anordnung kann im Wärmetauscher 1 ein besonders gleichmäßiger Wärmeaustausch erzielt werden. Hierzu muss lediglich sichergestellt sein, dass der Fluiddruck des Fluids in den beiden Fluidverteilern 9 im Wesentlichen identisch ist und dass der Fluiddruck des Fluids in den beiden Fluidsammlern 10 ebenfalls im Wesentlichen identisch ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Fluid gleichmäßig auf die einzelnen Fluidkanäle 5 verteilt wird und dass die Fluidkanä- le 5 gleichmäßig mit dem Fluid durchströmt werden. Dies führt im Ergebnis zu einem besonders gleichmäßigen Wärmeaustausch zwischen Gas und Fluid.
Die im Beispielszenario der Figuren 1 bis 4 nur schematisch angedeuteten
Trennelemente 4 können stegartig ausgebildet sein. Im Beispiel der Figuren sind die Trennelemente 4 integral an dem jeweiligen, den Fluidkanal 5 begrenzenden Rohrkörper 3 ausgeformt. Soll die Ausbildung von Wirbelströmen etc. in dem durch die Fluidkanäle 5 strömenden Fluid vermieden werden, so empfiehlt sich eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F geradlinige Ausbildung der Trennelemente 4.
Dies ist zur Verdeutlichung in Figur 5 für einen einzigen Rohrkörper 3 dargestellt. Soll hingegen das Strömungsbild des durch die Fluidkanäle 5 strömenden Fluids ' gezielt beeinflusst werden, etwa um mit Hilfe von Wirbelströmungen den Wärmeaustausch mit dem Gas zu erhöhen, so empfiehlt sich eine nicht geradlinige Ausbildung der Trennelemente 4. Mögliche Realisierungsformen für eine solche, nicht-geradlinige Ausbildung der Trennelemente 4 sind in den Figuren 6 bis 10 skizziert.
Im Beispiel der Figur 6 sind die einzelnen Trennelemente 4 jeweils in
eine Mehrzahl von Elementabschnitten 16 unterteilt. Die Elementabschnitte 16 sind integral aneinander ausgeformt und ergänzen sich zum Trennelement 4. Benachbarte Elementabschnitte 16 sind in einem Querschnitt des Wärmetauschers 1 senkrecht zur Stapelrichtung S, wie er in den Figuren 5 bis 10 gezeigt ist, unter einem stumpfen Winkel, also winkelig zueinander angeordnet. Da mit einer solchen Geometrie lokale Variationen der Kanalbreite der Fluidkanäle 5 entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F einhergehen, werden auf diese Weise die gewünschten Variationen im Strömungsbild des Fluids, insbesondere Wirbel, erzeugt. Die Figur 7 zeigt bezüglich der Realisierung der Trennelemente 4 eine weitere Variante, bei welcher die Trennelemente 4 im Querschnitt des Wärmetauschers 1 senkrecht zur Stapelrichtung S eine wellenartige Geometrie besitzen. Das heißt, das betreffende Trennelement 4 ist wie in Figur 7 gezeigt entlang der Fluid- Durchströmungsrichtung F des Wärmetauschers 1 bzw. des Rohrkörpers 3 gekrümmt ausgebildet. In einer vereinfachten Variante kann eine solche gekrümmte Ausbildung der Trennelemente 4 auch nur abschnittsweise erfolgen.
Zur Erzeugung von Turbulenzen in der Fluidströmung, um auf diese Weise den Wärmeaustausch des Fluids mit dem Gas zu erhöhen, erweist sich die Bereitstellung von Turbulenzerzeugungselementen 17 in den Fluidkanälen 5 als vorteilhaft. Diese können wie in Figur 8 für geradlinig ausgebildete Trennelemente 4 gezeigt, als Fortsätze 18 realisiert sein, die seitlich von den Trennelementen 4 abstehen. Bevorzugt sind die Fortsätze 18 integral an den Trennelementen 4 ausgeformt. Um ihre Wirkung als Turbulenzerzeugungselemente 17 entfalten zu können, sind die Fortsätze 18 wie in Figur 8 gezeigt derart am jeweiligen Trennelement 4 ausgeformt, dass sie in den vom jeweiligen Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hineinragen. Im Beispiel der Figur 8 sind die Trennelemente 4 geradlinig ausgebildet. Die Fortsätze 18 stehen jeweils orthogonal, von den Trennelementen 4 ab und ragen in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hinein. In Varianten des Beispiels der Figur 8 können die Fortsätze 18 auch unter einem anderen Winkel von den Trennelementen abstehen.
Die Figuren 9 und 10 zeigen weitere Varianten der Beispiele der Figuren 5 bis 7. Die Figur 9 stellt dabei eine Kombination der Beispiele der Figuren 6 und 8 dar. Die Trennelemente 4 der Figur 9 umfassen jeweils eine Mehrzahl von Elementabschnitten 16. Die Elementabschnitte 16 der Trennelemente gemäß Figur 9 sind integral aneinander ausgeformt und ergänzen sich zum Trennelement 4. Benach- barte Elementabschnitte 16 sind in einem Querschnitt des Wärmetauschers 1 senkrecht zur Stapelrichtung S unter einem stumpfen Winkel, also winkelig zueinander, angeordnet. Zusätzlich steht von den Trennelementen 4 - in analoger Weise zum Beispiel der Figur 8 - eine Mehrzahl von Fortsätzen 18 ab, die zur Ausbildung von Turbulenzerzeugungselementen 17 in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hineinragen. Die Fortsätze 18 stehen jeweils quer, vorzugsweise orthogonal, von den Trennelementen 4 ab und ragen in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hinein.
Das Beispiel der Figur 10 zeigt eine Kombination der Beispiele der Figuren 7 und 8. Die Trennelemente 4 besitzen eine wellenartige Geometrie. Das heißt, das betreffende Trennelement 4 ist wie in Figur 7 gezeigt entlang der Fluid- Durchströmungsrichtung F des Wärmetauschers 1 bzw. des Rohrkörpers 3 gekrümmt, insbesondere wellenförmig, ausgebildet. In einer vereinfachten Variante kann eine solche gekrümmte bzw. wellenförmige Ausbildung der Trennelemente 4 auch nur abschnittsweise erfolgen. Zusätzlich steht von den Trennelementen 4 - in analoger Weise zum Beispiel der Figur 8 - eine Mehrzahl von Fortsätzen 18 ab, die zur Ausbildung von Turbulenzerzeugungselementen 17 in den vom jeweiligen Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hineinragen. Die Fortsätze 18 stehen jeweils quer, vorzugsweise orthogonal, von den Trennelementen 4 ab und ragen in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hinein.
In den Beispielen der Figuren 8 bis 10 stehen entlang der
Fluid-Durchströmungsrichtung F benachbarte Fortsätze 18 an einander gegenüberliegenden Seiten von den Trennelementen 4 ab. Zwei in der Fluid- Durchströmungsrichtung F benachbarte Fortsätze 18 ragen also in zwei benachbarte Fluidkanäle 5 hinein. Zur Erzeugung möglichst vieler Wirbel in der Fluidströmung empfiehlt sich eine in den Figuren 6 bis 8 gezeigte, äquidistante Anordnung der einzelnen Fortsätze 18 entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F.
Der Wärmetauscher 1 gemäß den Figuren 1 bis 4 kann besonders einfach und mit geringen Herstellungskosten durch Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens wie beispielsweise Lasersintern hergestellt werden. Vom dem Begriff "additives Herstellungsverfahren" sind dabei erfindungsgemäß alle Herstellungsverfahren umfasst, welche das Bauteil unmittelbar aus einem Computermodell heraus schichtweise aufbauen. Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens erlaubt es, die einzelnen Komponenten des Wärmetauschers wie etwa Rohrkörper einschließlich Trennelementen, Rippenstruktur, Fluidverteiler und Fluidsammler etc. direkt als CAD-Modell zu definieren und aus einem solchen CAD-Modell heraus direkt zu fertigen.
Der Wärmetauscher 1 kann einstückig ausgebildet sein. Eine solche, einstückige Ausbildung bildet sich insbesondere bei Verwendung des vorangehend erläuterten additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des genannten Lasersinterns, an. Bei einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers 1 entfällt das sehr aufwändige und somit kostenintensive Befestigen der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers aneinander. Beispielsweise entfällt das stoffschlüssige Befestigen der einzelnen Rohrkörper 3 an den Rippenstrukturen 14, etwa mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung, sowie das stoffschlüssige Befestigen von Fluidverteiler 9 und Fluidsammler 10 an den Rohrkörpern 3. Dies führt zu erheblichen Kostenvorteilen bei der Herstellung des Wärmetauschers 1 .

Claims

Ansprüche
1 . Wärmetauscher (1 ), insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, mit einer Mehrzahl von Fluidpfaden (2) zum Durchströmen mit einem Fluid, wobei jeder Fluidpfad (2) wenigstens teilweise von einem Rohrkörper (3) begrenzt ist, wobei die Rohrkörper (3) sich entlang einer Rohrerstreckungsrich- tung (E) erstrecken und entlang einer Stapelrichtung (S) stapelartig aufeinander angeordnet sind,
wobei durch einen Zwischenraum (6), welcher zwischen zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten Rohrkörpern (3) vorhanden ist, jeweils ein Gaspfad (7) zum Durchströmen mit einem Gas entlang einer Gasdurchstromungsrichtung (G) ausgebildet ist,
wobei in den Fluidpfaden (2) jeweils benachbart zueinander eine Mehrzahl von Trennelementen (4) angeordnet ist, welche jeden Fluidpfad (2) in eine Mehrzahl von Fluidkanälen (5) unterteilen, die sich jeweils entlang einer Flu- id-Durchströmungsrichtung (F) erstrecken,
wobei die Fluid-Durchströmungsrichtung (F) orthogonal zur Rohrkörper- Erstreckungsrichtung (E) verläuft.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zwischenräume (6) zum Ein- und Ausleiten des Gases an entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung (F) gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers (1 ) offen ausgebildet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Trennelemente (4) jeweils längsförmig ausgebildet sind und jeweils eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung (F) gemessene Elementlänge (I) besitzen, die wenigstens das Zehnfache, vorzugsweise wenigstens das Zwanzigfache, höchst vorzugsweise wenigstens das Fünfzigfache, einer quer zur Fluid-Durchströmungsrichtung (F) gemessenen Elementbreite (b) beträgt.
4. Wärmetauscher nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem bezüglich der Fluid-Durchströmungsrichtung (F) ersten Fluidpfad- Endabschnitt (8a) wenigstens eines Fluidpfads (2), vorzugsweise aller Fluidpfade (2), keine Trennelemente (4) vorhanden sind, so dass der erste Flu- idpfad-Endabschnitt (8a) alle durch die Trennelemente (4) getrennten Fluid- kanäle (5) fluidisch miteinander verbindet, und dass
in einem dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt (8a) entlang der Fluid- Durchströmungsrichtung (F) gegenüberliegenden zweiten Fluidpfad- Endabschnitt (8b) des wenigstens einen Fluidpfads (2), vorzugsweise aller Fluidpfade (2), keine Trennelemente (4) angeordnet sind, so dass der zweite Fluidpfad-Endabschnitt alle durch die Trennelemente (4) getrennten Fluidka- näle (5) fluidisch miteinander verbindet.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (1 ) wenigstens einen fluidisch mit dem ersten Fluidpfad- Endabschnitt (8a) verbundenen Fluidverteiler (9) zum Verteilen des Fluids auf die in den Fluidpfaden (2) gebildeten Fluidkanäle (5) und wenigstens einen fluidisch mit dem zweiten Fluidpfad-Endabschnitt (8b) verbundenen Fluid- sammler (10) zum Sammeln des aus den Fluidkanälen (5) austretenden Fluids aufweist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rohr-Erstreckungsrichtung (E) parallel zu einer Längsseite (15) der Rohrkörper (3) verläuft,
genau ein Fluidverteiler (9) und genau ein Fluidsammler (10) vorhanden sind, die an einander in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung (E) gegenüberliegen Längsenden (13) der Rohrkörper (3) angeordnet sind.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rohrkörper-Erstreckungsrichtung (E) parallel zur Längsseite (15) der Rohrkörper (3) verläuft,
zwei Fluidverteiler (9) und zwei Fluidsammler (10) vorhanden sind, wobei an jedem der beiden Längsenden (13) der Rohrkörper (3) jeweils ein Fluidverteiler (9) und ein fluidisch von diesem getrennter Fluidsammler (10) angeordnet sind.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rohr-Erstreckungsrichtung (E) senkrecht sowohl zur Stapelrichtung (S) als auch zur Fluid-Durchströmungsrichtung (F) verläuft.
9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (1 ) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt ist.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das additive Herstellungsverfahren Lasersintern umfasst.
1 1 . Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (1 ) einstückig ausgebildet ist.
12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trennelemente (4) stegartig ausgebildet sind und integral an dem jeweiligen, den Fluidpfad (2) begrenzenden Rohrkörper (3) ausgeformt sind.
13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Trennelementen (4) sich jeweils geradlinig entlang der Flu- id-Durchströmungsrichtung (F) erstreckt.
14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Trennelementen (4) jeweils wenigstens zwei Elementabschnitte (16), vorzugsweise eine Mehrzahl von Elementabschnitten (16), aufweist, wobei benachbarte Elementabschnitte (16) in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) winkelig, vorzugsweise unter einem stumpfen Winkel, zueinander angeordnet sind.
15. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trennelemente (4) in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) wenigstens abschnittsweise gekrümmt ausgebildet sind.
16. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass von der Mehrzahl der Trennelemente (4) zur Ausbildung von Turbulenzerzeu- gungselementen (17) jeweils eine Mehrzahl von Fortsätzen (18) absteht, derart, dass die Fortsätze (18) in den vom jeweiligen Trennelement (4) begrenzten Fluidkanal (5) hineinragen.
17. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fortsätze (18) jeweils im Wesentlichen quer, insbesondere orthogonal, vom jeweiligen Trennelement (4) abstehen.
18. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fortsätze (4) eines jeweiligen Trennelements (4) im Wesentlichen äqui- distant zueinander angeordnet sind.
19. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei in der Fluid-Durchströmungsrichtung (F) benachbarte Fortsätze (18) eines Trennelements (4) an einander gegenüberliegenden Seiten von diesem abstehen, so dass in die beiden von diesem Trennelement (4) getrennten Fluidkanäle (5) jeweils wenigstens ein Fortsatz (18) hineinragt.
20. Abwärmenutzungseinrichtung mit einem Wärmetauscher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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