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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Wärmetauscher.
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Als Wärmetauscher oder Wärmeübertrager wird gemeinhin eine Vorrichtung bezeichnet, die Wärme von einem Stoffstrom auf einen anderen Stoffstrom überträgt. Wärmetauscher kommen 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 in den Wärmetauscher eingeleitet, wo sie thermisch mit einem ebenfalls in den Wärmetauscher eingeleiteten Kühlmittel wechselwirkt und auf diese Weise Wärme an das Kühlmittel abgibt.
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Ein solcher Wärmetauscher kann beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgestaltet sein und mehrere Plattenpaare aufweisen, die in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt sind, wobei zwischen den Platten eines Plattenpaars ein Kühlmittelpfad ausgebildet wird, durch den ein Kühlmittel geführt wird. Zwischen zwei Plattenpaaren, also in einem zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren ausgebildeten Zwischenraum, kann fluidisch getrennt zum Kühlmittel das zu kühlende Medium, beispielsweise in einem Abgasturbolader aufgeladene Ladeluft, geführt werden, so dass das Kühlmittel durch die Platten der Plattenpaare hindurch in thermische Wechselwirkung mit der zu kühlenden Frischluft gesetzt werden kann. Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs können zwischen benachbarten Plattenpaaren zusätzlich Rippenstrukturen vorgesehen werden, welche die für die thermische Wechselwirkung zur Verfügung stehende Wechselwirkungsfläche der Platten erhöhen. Derartige Konstruktionen sind als sog. Rippe-Rohr-Wärme-tauscher bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmetauschern, insbesondere für Kraftfahrzeuge, neue Wege aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die geometrische Formgebung des Wärmetauschers an den zur Verfügung stehenden Bauraum anzupassen, wobei für eine solche Anpassung ein additives Herstellungsverfahren verwendet wird. Mit „geometrische Formgebung“ ist dabei die äußere Geometrie des Wärmetauschers, also die Geometrie der den Wärmetauscher nach außen, zur Umgebung begrenzenden Komponenten, gemeint. Vom dem Begriff "additives Herstellungsverfahren" sind erfindungsgemäß alle Herstellungsverfahren umfasst, welche das Bauteil unmittelbar aus einem Computermodell heraus schichtweise aufbauen. 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 gefasst.
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Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens ermöglicht die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers nahezu ohne geometrische Einschränkungen. Dies erlaubt die Herstellung des Wärmetauschers mit der gewünschten, bauraum-optimierten äußeren Geometrie. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besitzt daher eine Geometrie, die zur optimalen Nutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums von der typischerweise quaderförmigen bzw. im Querschnitt rechteckförmigen Geometrie herkömmlicher Wärmetauscher abweicht: Erfindungsgemäß weist die Geometrie des Wärmetauschers in einem Querschnitt senkrecht zu einer vorbestimmten Erstreckungsrichtung entlang einer vorbestimmten Richtung eine runde, insbesondere kreisrunde, Geometrie oder die Geometrie eines Mehrecks, insbesondere eines Dreiecks, auf. Die vorbestimmte Erstreckungsrichtung kann beispielsweise eine Längs- oder Querrichtung sein, welche parallel zu einer Längs- oder Querseite des Wärmetauschers verläuft. Im Fall einer runden Geometrie kann die vorbestimmte Erstreckungsrichtung beispielsweise durch die axiale Achse eines zylindrisch ausgebildeten Wärmetauschers definiert sein. Im Falle der Geometrie eines Mehrecks bietet sich die Realisierung von Geometrien an, die von jenem herkömmlichen Wärmetauscher mit typischerweise quaderartiger Geometrie abweichen. Denn die erfindungsgemäße Verwendung des additiven Herstellungsverfahrens zur Konzeption und Fertigung des Wärmetauschers erlaubt eine spezielle Anpassung der geometrischen Gestalt und der äußeren Abmessungen des Wärmetauschers an den zur Verfügung stehenden Bauraum, in welchem der Wärmetaucher verbaut werden soll. Dies gilt insbesondere für den in einem Kraftfahrzeug typischerweise limitierten Bauraum. Sind die den Bauraum beschreibenden Daten wie beispielsweise Geometrie und Abmessungen in Form von CAD-Daten vorhanden, so können diese direkt bei der Erstellung des den Wärmetauscher wiedergebenden CAD-Modells berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann der für den Wärmetauscher zur Verfügung stehende Bauraum auf optimale Weise genutzt werden. Dies gilt in besonderem Maße für Bauraum, der unmittelbar der hier vorgeschlagenen, erfindungsgemäßen Geometrie des Wärmetauschers – also mit im Querschnitt runder oder mehreckiger Geometrie entspricht. Steht beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs Bauraum zur Verfügung, der entlang einer bestimmten Richtung die Geometrie eines Trapezes besitzt, so kann ein Wärmetauscher mit derselben Geometrie durch Erstellung eines entsprechend gestalteten CAD-Modells und anschließenden additiven Herstellungsprozess auf einfache Weise gefertigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmetauscher in dem Querschnitt eine ringförmige Geometrie auf. Auf diese Weise kann unter Verwendung des additiven Herstellungsverfahrens ein als „Ringkühler“ bekannter Wärmetauscher realisiert werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das Mehreck eine ungerade Anzahl an Ecken auf. Prinzipiell lassen sich durch die erfindungsgemäße Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens mit geringem Aufwand Wärmetauscher mit einer im Querschnitt beliebigen Anzahl von Ecken und somit einer beliebig komplexen Geometrie fertigen. Auf diese Weise lässt sich der zur Verfügung stehende Bauraum, insbesondere in einem Kraftfahrzeug auf besonders effektive Weise nutzen.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich ein Wärmetauscher, der in dem Querschnitt eine trapezförmige Geometrie besitzt. Ein Wärmetauscher mit einer solchen Geometrie eignet sich besonders zum Einbau in den Motorraum eines Kraftfahrzeugs.
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Bevorzugt kann das additive Herstellungsverfahren Laserschmelzen umfassen. Dies bedeutet, dass zum Herstellen des Wärmetauschers ein Laserschmelzverfahren verwendet wird. Mittels eines solchen Verfahrens können die Komponenten des Wärmetauschers direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt werden. Grundsätzlich werden die Bauteile des Wärmetauschers beim Laserschmelzen werkzeuglos und schichtweise auf Basis des dem Wärmetauscher zugeordneten dreidimensionalen CAD-Modells gefertigt.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmetauscher einstückig ausgebildet sein. Eine solche, einstückige Ausbildung bildet sich insbesondere bei Verwendung des vorangehend vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des Laserschmelzens, an. Bei einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers entfällt das sehr aufwändige und somit kostenintensive Befestigen der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers aneinander.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Fluidpfade jeweils durch Rohrkörper begrenzt, die integral aneinander ausgeformt sind. Die Rohrkörper sind zudem mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt. Dies erleichtert es, Anordnung und Geometrie der Rohrkörper an die gewünschte äußere Geometrie des Wärmetauschers und somit indirekt an den zur Verfügung stehenden Bauraum anzupassen. Gleichzeitig können Anordnung und Verlauf der einzelnen Fluidpfade mit Hilfe eines CAD-Modells definiert werden. Darüber hinaus entfallen aufwändige Verbindungstechniken wie beispielsweise Verschweißen oder Verlöten, um die einzelnen Rohrkörper aneinander zu befestigten.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die Rohrkörper jeweils eine Mehrzahl von Plattenpaaren, also wenigstens zwei Plattenpaare, mit einer ersten und einer zweiten Platte, die entlang einer Stapelrichtung aufeinandergestapelt sind, so dass zwischen den beiden Platten eines Plattenpaars jeweils ein erster Fluidpfad zum Durchströmen mit einem ersten Fluid ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren ein Zwischenraum ausgebildet, welcher jeweils einen fluidisch von den ersten Fluidpfaden getrennten zweiten Fluidpfad zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid ausbildet. Die ersten Fluidpfade sind dabei fluidisch von den zweiten Fluidpfaden getrennt, aber thermisch mit diesen verbunden. Ein solcher Plattenwärmetauscher, der einen besonders effektiven Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf ermöglicht, kann mittels des additiven Herstellungsverfahrens auf einfache Weise mit einer prinzipiell beliebigen Anzahl an Plattenpaaren konzipiert und gefertigt werden. Dabei können die Plattenpaare problemlos an die gewünschte Geometrie des Wärmetauschers angepasst werden. Auch hier entfallen aufwändige Verbindungstechniken wie beispielsweise Verschweißen oder Verlöten, um die einzelnen Rohrkörper aneinander zu befestigten.
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Besonders zweckmäßig verläuft die Stapelrichtung parallel oder alternativ zur Erstreckungsrichtung. Auf diese Weise lassen sich anwendungsspezifisch verschiedenste Anordnungsgeometrien der Platten des Plattenwärmetauschers realisieren.
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Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens zum Konzipieren und Herstellen der Plattenpaare erlaubt die Ausbildung von Kanalstrukturen an den Innenseiten der ersten und zweiten Platten. Solche Kanalstrukturen können beispielsweise meanderartig ausgebildet sein. Auf diese Weise passiert das erste Fluid alle Bereiche der ersten bzw. zweiten Platte, was für eine besonders gleichmäßige thermische Wechselwirkung durch das Plattenmaterial mit der zweiten Platte zur Folge hat.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Platte eines jeweiligen Plattenpaars komplementär zueinander ausgebildet, wobei an den Innenseiten der beiden Platten mittels des additiven Herstellungsverfahrens eine Kanalstruktur ausgebildet ist. Auch eine solche Kanalstruktur, beispielsweise mit einem meanderartigen Verlauf, lässt sich mit Hilfe des additiven Herstellungsverfahrens auf einfache Weise realisieren
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Die Anwendung eines additiven Verfahrens zur Herstellung des als Plattenwärmetauschers realisierten Wärmetauschers bietet sich insbesondere dann an, wenn die Plattenpaare als Flachrohre realisiert sind oder Teil eines jeweiligen Flachrohrs sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in den die zweiten Fluidpfade ausbildenden Zwischenräumen jeweils eine integral an den beiden den Zwischenraum begrenzenden Platten ausgeformte Rippenstruktur vorgesehen. Auch diese Rippenstrukturen sind mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt. Auch ein derartiger, dem Fachmann als „Rippe-Rohr-Wärmetauscher“ bekannter Aufbau kann durch Verwendung des additiven Herstellungsverfahrens problemlos an die erfindungsgemäße Geometrie des Wärmetauschers angepasst werden.
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In einer mittels des additiven Herstellungsverfahrens besonders einfach herzustellenden Ausführungsform weist jeder Rohrkörper eine Einlassöffnung und eine der Einlassöffnung gegenüberliegenden Auslassöffnung auf. An den Rohrkörpern ist ein fluidisch mit den Einlassöffnungen verbundener Fluidverteiler zum Verteilen des ersten Fluids auf die ersten Fluidpfade sowie ein fluidisch mit den Auslassöffnungen verbundener Fluidsammler zum Sammeln des ersten Fluids aus den ersten Fluidpfaden vorgesehen. Sowohl der Fluidverteiler und der Fluidsammler sind mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Motorraum angeordneten Brennkraftmaschine. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug einen ebenfalls im Motorraum angeordneten und mit der Brennkraftmaschine zusammenwirkenden, erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher in einem im Motorraum vorgesehenen Aufnahmebereich angeordnet, welcher im Wesentlichen dieselbe Geometrie wie der Wärmetauschers besitzt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit trapezförmiger Geometrie,
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2 eine erste Variante des Beispiels der 1 mit dreiecksförmiger Geometrie,
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3 eine zweite Variante des Beispiels der 1 mit runder Geometrie,
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1 zeigt in grobschematischer Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 in einem Querschnitt senkrecht zu einer vorbestimmten Erstreckungsrichtung R. Der Wärmetauscher 1 ist mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt. Das additive Herstellungsverfahren kann dabei das oben vorgestellte Laserschmelzen umfassen. Im Wärmetauscher 1 ist eine Mehrzahl von ersten Fluidpfaden 4a zum Durchströmen mit einem ersten Fluid F1 und eine Mehrzahl von zweiten Fluidpfaden 4b zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid F2, die fluidisch von den ersten Fluidpfaden 4a getrennt und thermisch mit diesen gekoppelt sind, angeordnet.
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Wie 1 erkennen lässt, weist der Wärmetauscher 1 im Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung R – diese verläuft in 1 senkrecht zur Zeichenebene – die Geometrie eines Trapezes 5 mit vier Ecken 2 auf. In Varianten des Beispiels kann auch ein Mehreck mit einer anderen, insbesondere ungeraden, Anzahl an Ecken und, alternativ oder zusätzlich, mit einer nicht-trapezartigen Geometrie vorgesehen sein. Denkbar ist für den Wärmetauscher 1 insbesondere die Geometrie eines Dreiecks, was grobschematisch in 2 skizziert ist.
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Betrachtet man nun wieder die Darstellung der 1, so erkennt man, dass der Wärmetauscher 1 mit trapezartiger Geometrie als Plattenwärmetauscher 7 ausgebildet sein kann. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Rohrkörpern 8, wobei jeder Rohrkörper ein Plattenpaar 9 mit einer ersten und einer zweiten Platte 10a, 10b aufweist. Die Rohrkörper 8 sind mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt. Ferner sind die ersten und zweiten Platten 10a, 10b der Plattenpaare 9 entlang einer Stapelrichtung S aufeinandergestapelt, die im Beispiel der 1 senkrecht zur Erstreckungsrichtung R verläuft. Auf diese Weise wird zwischen den beiden Platten 10a, 10b eines jeweiligen Plattenpaars 9 jeweils ein erster Fluidpfad 4a zum Durchströmen mit einem ersten Fluid F1, beispielsweise einem Kühlmittel, ausgebildet. Eine Hauptströmungsrichtung H des ersten Fluids F1 durch die ersten Fluidpfade 4a verläuft in 1 orthogonal sowohl zur Stapelrichtung S als auch zur Erstreckungsrichtung R des Wärmetauschers 1.
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Wie 1 weiter erkennen lässt, ist zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten Plattenpaaren 9 ein Zwischenraum 11 ausgebildet, welcher jeweils einen fluidisch von den ersten Fluidpfaden 4a getrennten zweiten Fluidpfad 4b zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid F2, beispielsweise einem zu kühlenden Gas, ausbildet. Über die erste und zweite Platte 10a, 10b wird ein jeweiliger erster Fluidkanal 4a thermisch mit einem in Stapelrichtung S benachbarten zweiten Fluidkanal 4b gekoppelt und umgekehrt. Die erste und zweite Platte 10a, 10b eines jeweiligen Plattenpaars 9 können komplementär zueinander ausgebildet sein, so dass die beiden Platten 10a, 10b die ersten Fluidkanäle 4a auch in der Erstreckungsrichtung R begrenzen, die in 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft (nicht dargestellt). In einem solchen Szenario können die beiden Platten 10a, 10b eines jeweiligen Plattenpaars 9 insbesondere als Flachrohr realisiert sein. An den Innenseiten 12 der beiden Platten 4a, 4b kann eine mittels des additiven Herstellungsverfahrens erzeugte Kanalstruktur (nicht gezeigt) ausgebildet sein.
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Entsprechend 1 kann in den die zweiten Fluidpfade 4b ausbildenden Zwischenräumen 11 jeweils eine Rippenstruktur 12 vorgesehen sein. Die Rippenstrukturen 12 sind integral an den beiden den jeweiligen Zwischenraum 11 begrenzenden Platten 10a, 10b ausgeformt und ebenfalls mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt. Jeder Rohrkörper 8, im Bespiel der 1 also jedes Plattenpaar 9, weist entlang der Hauptströmungsrichtung H eine Einlassöffnung 14 zum Einleiten des ersten Fluids F1 in den Rohrkörper 8 und eine Auslassöffnung 15 zum Ausleiten des ersten Fluids F1 aus dem Rohrkörper 8 auf. Die Einlassöffnung 14 kann der Auslassöffnung 15 gegenüberliegen.
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Die Rohrkörper 8 können im Bereich der Einlassöffnungen 14 in einen fluidisch mit den Einlassöffnungen 14 verbundenen Fluidverteiler 16 zum Verteilen des ersten Fluids F1 auf die einzelnen Rohrkörper 8 und somit auf die ersten Fluidpfade 4a aufweisen. Weiterhin können die Rohrkörper 8 im Bereich der Auslassöffnungen 15 in einen fluidisch mit den Auslassöffnungen 15 verbundenen Fluidsammler 17 zum Sammeln des ersten Fluids F1 aus den einzelnen Rohrkörpern 8 und somit aus den ersten Fluidpfaden F1 übergehen. Der Fluidverteiler 16 und der Fluidsammler 17 sind als Teil des Wärmetauschers 1 ebenfalls mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt.
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3 illustriert eine weitere Variante des Wärmetauschers 1, bei welcher der Wärmetauscher 1 im Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung R eine kreisrunde Geometrie aufweist. Im Beispiel der 3 besitzt der Wärmetauscher die Geometrie eines Ringes. Die 3 zeigt den Wärmetauscher 1 in einer perspektivischen Teildarstellung. Wie 3 anschaulich belegt, kann auch der Wärmetauscher mit ringförmiger Geometrie ebenso wie jener mit trapezförmiger Geometrie als Rippe-Rohr-Wärmetauscher ausgebildet sein. Die Erläuterungen zum trapezförmigen Wärmetauscher 1 der 1 gelten also ausdrücklich auch für den in 4 in einer ausschnittsweisen, perspektivischen Darstellung gezeigten Wärmetauscher 1 mit ringförmiger Geometrie. Im Beispiel der 3 verlaufen die Stapelrichtung S und die Erstreckungsrichtung R der Plattenpaare 9 parallel zueinander.
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Der Wärmetauscher 1 kann einstückig ausgebildet sein. Eine solche, einstückige Ausbildung bildet sich insbesondere bei Verwendung des vorangehend vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des Laserschmelzens, an. Bei einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers 1 entfällt das sehr aufwändige und somit kostenintensive Befestigen der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers aneinander. Es versteht sich, dass im Falle einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers 1 die vorliegend verwendeten Bezeichnungen wie z.B. "Rohrkörper" gültig bleiben.
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Die vorangehend vorgestellten Beispiele für verschiedene Wärmetauscher-Geometrien erlauben es, den Wärmetauscher an den zur Verfügung stehenden Bauraum anzupassen. Dies gilt insbesondere, wenn der Wärmetauscher 1 wie in den 1 und 4 schematisch angedeutet in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs verbaut werden soll und in diesem zur Anordnung des Wärmetauschers 1 ein Aufnahmebereich 18 – dieser ist in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet – mit einer vorbestimmten Geometrie zur Verfügung steht. Dann kann die Geometrie des Wärmetauschers 3 des mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellten Wärmetauschers 1 auf einfache und flexible Weise an den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden, indem er mit einer Geometrie versehen wird, die im Wesentlichen der Geometrie des Aufnahmebereichs 18 entspricht oder dieser zumindest ähnelt.
