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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, sowie eine Abwärmenutzungseinrichtung 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 als Kühlsysteme 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.
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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 Wärmeaustauschs 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.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmetauschern mit verbesserter Effizienz, 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, den Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von Verbindungspfaden auszustatten, welche jeweils wenigstens zwei in Stapelrichtung benachbarte Rohrkörper fluidisch miteinander verbinden. Auf diese Weise kann das in Rohrkörper des Wärmtauschers eingeleitete Fluid, typischerweise ein Kühlmittel, besonders gleichmäßig auf die einzelnen Rohrkörper verteilt und nach dem Durchströmen und dem damit verbundene Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden Gas wieder gesammelt werden. Dies führt bei einem als Ladeluftkühler realisierten Wärmetauscher zu einem besonders homogenen Wärmeaustausch des Fluids mit dem zu temperierenden, insbesondere zu kühlenden, Gas wie beispielsweise der bereits erwähnten, vom Turbolader aufgeladenen Frischluft. Damit geht auch eine erhöhte Effizienz des Wärmetauschers einher. Das hier vorgeschlagene, erfindungswesentliche Prinzip kann ohne weiteres in dem eingangs erwähnten Kühlmittelkühler angewandt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher umfasst eine Mehrzahl von Fluidpfaden zum Durchströmen mit einem Fluid. Jeder Fluidpfad ist wenigstens teilweise von einem Rohrkörper begrenzt. Die Rohrkörper erstrecken sich entlang einer Rohr-Erstreckungsrichtung und sind entlang einer Stapelrichtung stapelartig aufeinander angeordnet. Die Rohr-Erstreckungsrichtung und die Stapelrichtung können bevorzugt orthogonal zueinander verlaufen. Durch einen Zwischenraum, welcher zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten Rohrkörpern vorhanden ist, ist jeweils ein Gaspfad zum Durchströmen mit einem Gas entlang einer Gas-Durchströmungsrichtung ausgebildet. Die Gas-Durchströmungsrichtung verläuft dabei erfindungsgemäß orthogonal zur Rohrkörper-Erstreckungsrichtung. Das Fluid kann dabei in entgegengesetzter Richtung zur Gas-Durchströmungsrichtung durch die einzelnen Rohrkörper strömen, entlang welcher das Gas durch die zwischen den Rohrkörpern gebildeten Gaspfade strömt. Mittels eines solchen 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 dem Gas und dem Fluid stattfindet. Dies zu einer besonders hohen Effizienz des Wärmetauschers. Unter „Gas-Durchströmungsrichtung” wird vorliegend 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 für das durch die Rohrkörper strömende Fluid.
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Erfindungswesentlich ist eine Mehrzahl von Verbindungspfaden, welche jeweils wenigstens zwei in Stapelrichtung benachbarte Rohrkörper fluidisch miteinander verbinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Wärmetauscher wenigstens einen Fluideinlass zum Verteilen des Fluid auf die Fluidpfade und wenigstens einen Fluidauslass zum Ausleiten des Fluids aus dem Wärmetauscher nach dem Durchströmen der Fluidpfade. In dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher entlang der Stapelrichtung von einem ersten Rohrkörper und einem dem ersten Rohrkörper in Stapelrichtung gegenüberliegenden, zweiten Rohrkörper begrenzt. Der erste Rohrkörper weist einen fluidisch mit dem Fluideinlass verbundenen ersten Fluidverteiler und einen fluidisch mit dem Fluidauslass verbundenen ersten Fluidsammler auf. Entsprechend weist der zweite Rohrkörper einen fluidisch mit dem Fluideinlass verbundenen zweiten Fluidverteiler und einen fluidisch mit dem Fluidauslass verbundenen zweiten Fluidsammler auf. Der erste Fluidverteiler kann mittels einer am ersten Rohrkörper ausgeformten Trennwand fluidisch vom ersten Fluidsammler getrennt sein. Der zweite Fluidverteiler kann mittels einer am zweiten Rohrkörper ausgeformten zweiten Trennwand fluidisch vom zweiten Fluidsammler getrennt sein. Mit Hilfe der beiden Fluidverteiler kann das dem Wärmetauscher über den Fluideinlass zugeführte Fluid ohne aufwändige Zuleitungen gleichmäßig auf die einzelnen Rohrkörper verteilt werden. Mittels der beiden Fluidsammler kann das Fluid nach dem Durchströmen der Rohrkörper und dem dort erfolgten Wärmeaustausch mit dem Gas unmittelbar gesammelt und aus dem Wärmetauscher abgeleitet werden, ohne dass hierfür zusätzliche Ableitungen erforderlich wären.
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Besonders zweckmäßig sind der Fluideinlass und der Fluidauslass in einer den Wärmetauscher in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung begrenzenden, gemeinsamen Gehäusewand angeordnet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind genau zwei Fluideinlässe vorhanden, die in der Gehäusewand an bezüglich der Stapelrichtung gegenüberliegenden Wand-Enden vorhanden sind. In dieser Variante sind auch genau zwei Fluidauslässe vorhanden. Diese sind die in der Gehäusewand an bezüglich der Stapelrichtung gegenüberliegenden Wand-Enden angeordnet.
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Ein besonders gleichmäßige räumliche Verteilung des Fluids auf die einzelnen Rohrkörper des Wärmetauschers und ein damit verbundener, besonders homogener Wärmetausch zwischen Fluid und Gas wird erzielt, wenn wenigstens ein Verbindungspfad alle im Wärmetauscher vorhandenen Rohrkörper fluidisch miteinander verbindet. Besonders bevorzugt kann diese Maßnahme für alle im Wärmetauscher vorhandenen Fluidpfade realisiert werden.
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Besonders zweckmäßig, weil konstruktiv besonders einfach zu realisieren, können die Verbindungspfade als sich entlang der Stapelrichtung erstreckende Verbindungs-Rohrkörper mit jeweils einer ersten Rohrmündung und einer der ersten Rohrmündung gegenüberliegenden, zweiten Rohrmündung ausgebildet sein.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Rohrkörper-Erstreckungsrichtung entlang einer Längsrichtung der Rohrkörper und die Gas-Durchströmungsrichtung orthogonal dazu entlang einer Querrichtung der Rohrkörper. Dabei sind die Verbindungs-Rohrkörper an zwei in Gas-Durchströmungsrichtung gegenüberliegenden Quer-Enden der Rohrkörper angeordnet. Vorzugsweise ist die Längsrichtung durch eine Längsseite der Rohrkörper und die Querrichtung durch eine Querseite der Rohrkörper definiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in wenigstens einem Rohrkörper an einer diesen Rohrkörper in Stapelrichtung begrenzenden Rohrkörper-Wand eine Mehrzahl von Turbulenzerzeugungselementen ausgeformt. Die Turbulenzerzeugungselemente stehen dabei von dieser Rohrkörper-Wand in den vom Rohrkörper begrenzten Fluidpfad hinein ab. Mittels der Turbulenzerzeugungselemente können in dem durch die Fluidpfade strömenden Fluid turbulente Strömungen erzeugt werden, die einen verbesserten Wärmeaustausch des Fluids mit dem durch die Gaspfade strömenden Gas bewirken. Besonders bevorzugt sind daher alle Rohrkörper des Wärmetauschers mit solchen Turbulenzerzeugungselementen versehen.
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Besonders ausgeprägte turbulente Strömungen können in dem Fluid über den gesamten Rohrkörper hinweg erzeugt werden, wenn die Mehrzahl von Turbulenzerzeugungselementen bezüglich einer Draufsicht auf die Rohrkörper-Wand in der Stapelrichtung rasterartig mit einer Mehrzahl von Rasterzeilen angeordnet ist. In diesem Szenario umfasst jede Rasterzeile wenigstens zwei Turbulenzerzeugungselemente und erstreckt sich entlang der Gas-Durchströmungsrichtung. Dabei sind wenigstens zwei Rasterzeilen in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung benachbart und im Abstand zueinander angeordnet.
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Besonders bevorzugt sind die Turbulenzerzeugungselemente zweier in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung benachbarter Rasterzeilen in der Gas-Durchströmungsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Fluid beim Durchströmen der Rohrkörper auf wenigstens ein Turbulenzerzeugungselement trifft, bevor es diese wieder verlässt.
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Besonders ausgeprägte Turbulenzeffekte in dem durch die Rohrkörper strömenden Fluid können erzeugt werden, wenn die Turbulenzerzeugungselemente in der Draufsicht auf die Rohrkörper-Wand in der Stapelrichtung mit einer gekrümmten Geometrie versehen sind.
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Besonders bevorzugt sind die Verbindungspfade entlang der Rohr-Erstreckungsrichtung, insbesondere der Längsrichtung, der Rohrkörper im Abstand zueinander, insbesondere im Wesentlichen äquidistant, angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist wenigstens ein (erster) Verbindungspfad an einem ersten Quer-Ende der Rohrköper angeordnet. Entsprechend ist wenigstens ein (zweiter) Verbindungspfad an einem zweiten Quer-Ende angeordnet. Das zweite Quer-Ende liegt dabei dem ersten Quer-Ende in der Gas-Durchströmungsrichtung der Rohrkörper, insbesondere in der Querrichtung der Rohrkörper, gegenüber.
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Besonders bevorzugt sind alle Verbindungspfade entweder am ersten Quer-Ende oder am zweiten Quer-Ende vorhanden. Auf diese Weise kann das Fluid gleichmäßig entlang der Rohr-Erstreckungsrichtung hinweg am ersten Quer-Ende in die Rohrkörper eingeleitet und an dem dem ersten Quer-Ende gegenüberliegenden zweiten Quer-Ende wieder aus den Rohrkörpern ausgeleitet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine erste Anzahl an ersten Verbindungspfaden an dem ersten Quer-Ende angeordnet. Entsprechend ist eine zweite Anzahl an zweiten Verbindungspfaden an dem zweiten Quer-Ende angeordnet. In dieser Ausführungsform entspricht die erste Anzahl an Verbindungspfaden im Wesentlichen, vorzugsweise genau, der zweiten Anzahl an Verbindungspfaden. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige Durchströmung der Rohrkörper erreicht werden.
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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 vorliegend 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” werden insbesondere Produktionsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung von Bauteilen mittels werkzeugloser Fertigung direkt aus CAD-Daten verstanden. Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens ermöglicht auf einfache und flexible Weise die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Insbesondere gilt dies für die Herstellung der Rohrkörper und der diese fluidisch verbindende Verbindungs-Rohrkörper. Denn die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens erlaubt es, die einzelnen Komponenten des Wärmetauschers wie etwa Rohrkörper, Verbindungs-Rohrkörper, Rippenstruktur, Fluidverteiler und Fluidsammler etc. direkt als CAD-Modell zu definieren und aus einem solchen CAD-Modell heraus direkt zu fertigen.
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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 kann der Wärmetauscher direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt werden. Grundsätzlich wird der Wärmetauscher beim Laserschmelzen werkzeuglos und schichtweise auf Basis des dem Wärmetauscher zugeordneten dreidimensionalen CAD-Modells gefertigt.
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Vorzugsweise 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. Insbesondere kann das stoffschlüssige Befestigen der einzelnen Verbindungs-Rohrkörper an den Rohrkörpern entfallen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem vorangehend vorgestellten Wärmetauscher.
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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 in einer perspektivischen Darstellung,
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2, 3 eine vergrößerte Teildarstellungen des Wärmetauschers der 1.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 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. Der Wärmetaucher 1 umfasst eine Mehrzahl von Fluidpfaden 2 zum Durchströmen mit einem Fluid, beispielsweise einem Kühlmittel. Jeder Fluidpfad 2 ist wenigstens teilweise von einem Rohrkörper 3 begrenzt. Die Rohrkörper 3 erstrecken sich entlang einer Rohr-Erstreckungsrichtung E und sind entlang einer Stapelrichtung S stapelartig aufeinander angeordnet. Durch einen Zwischenraum 4, welcher zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten Rohrkörpern 3 vorhanden ist, ist jeweils ein Gaspfad 5 zum Durchströmen mit einem Gas, beispielsweise Luft, entlang einer Gas-Durchströmungsrichtung G ausgebildet.
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In jedem Zwischenraum 4 kann eine Rippenstruktur 24 vorgesehen, also vorhanden sein. An der Rippenstruktur 24 stützen sich in Stapelrichtung S benachbarte Rohrkörper 3 ab. Mittels der Rippenstrukturen 24 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 1 erkennen lässt, sind die Zwischenräume 4 zum Ein- und Ausleiten des Gases an entlang der Gas-Durchströmungsrichtung G gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers 1 offen ausgebildet. Durch diese Öffnungen kann das Gas in die Zwischenräume 4 bzw. Gaspfade 5 ein- und wieder ausgeleitet werden.
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Die Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E kann einer Längsrichtung L der Rohrkörper 3 entsprechen, die durch eine Längsseite 17 der Rohrkörper 3 – definiert in einem Schnitt senkrecht zur Stapelrichtung S der Rohrkörper 3 – festgelegt ist. Die Gas-Durchströmungsrichtung G, die Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E und die Stapelrichtung S verlaufen im Beispielszenario jeweils orthogonal zueinander.
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Erfindungswesentlich ist eine Mehrzahl von Verbindungspfaden 6, welche jeweils wenigstens zwei in Stapelrichtung benachbarte Rohrkörper 3 fluidisch miteinander verbinden. Im Beispielszenario der Figuren verbindet ein jeder der Verbindungspfade 6 jeweils alle Rohrkörper 3 miteinander.
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Die 2 zeigt einen bezüglich der Stapelrichtung S unteren Teil des Wärmetauschers 1 der 1 in einer Teilansicht. Wie die 2 erkennen lässt, sind die Verbindungspfade 6 als sich entlang der Stapelrichtung S erstreckende Verbindungs-Rohrkörper 10 realisiert, die jeweils eine erste Rohrmündung 7a und einer der ersten Rohrmündung 7a gegenüberliegende, zweite Rohrmündung 7b aufweisen können. Dabei sind die Verbindungs-Rohrkörper 10 an zwei in der Gas-Durchströmungsrichtung G, also der Querrichtung Q, gegenüberliegenden Quer-Enden 16a, 16b der Rohrkörper 3 angeordnet. Die Gas-Durchströmungsrichtung G entspricht im Beispiel einer Querrichtung Q der Rohrkörper 3, definiert in einem Schnitt der Rohrkörper 3 senkrecht zur Stapelrichtung S. Die Querrichtung Q wird wiederum durch eine Querseite 18 der Rohrkörper 3 festgelegt und verläuft im Beispiel senkrecht zur Längsrichtung L.
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Weiterhin besitzt der Wärmetauscher 1 wenigstens einen Fluideinlass 8 zum Verteilen des Fluid auf die Fluidpfade 2 bzw. Rohrkörper 3 und wenigstens einen Fluidauslass 9 zum Ausleiten des Fluids aus dem Wärmetauscher 1 nach dem Durchströmen der Fluidpfade 2. Im Beispielszenario sind zwei Fluideinlässe 8 und zwei Fluidauslässe 9 vorgesehen. Der Wärmetauscher 1 wird entlang der Stapelrichtung S von einem ersten Rohrkörper 3a und einem dem ersten Rohrkörper 3b in Stapelrichtung S gegenüberliegenden, zweiten Rohrkörper 3b begrenzt. Der erste Rohrkörper 3a weist einen fluidisch mit dem Fluideinlass 8 verbundenen ersten Fluidverteiler 11a und einen fluidisch mit dem Fluidauslass 9 verbundenen ersten Fluidsammler 12a auf. Entsprechend weist der zweite Rohrkörper 3b einen fluidisch mit dem Fluideinlass 8 verbundenen zweiten Fluidverteiler 11b und einen fluidisch mit dem Fluidauslass 9 verbundenen zweiten Fluidsammler 12b auf. Der erste Fluidverteiler 11a ist mittels einer am ersten Rohrkörper 3a ausgeformten Trennwand 13a fluidisch vom ersten Fluidsammler 12a getrennt. Der zweite Fluidverteiler 11b ist mittels einer am zweiten Rohrkörper 3b ausgeformten zweiten Trennwand 13b fluidisch vom zweiten Fluidsammler 12b getrennt. Die beiden, in der Darstellung der 1 und 2 eigentlich nicht sichtbaren Trennwände 13a, 13b sind in diesen Figuren zur Verdeutlichung in gestrichelter Darstellung angedeutet.
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Mit Hilfe der beiden Fluidverteiler 11a, 11b kann das dem Wärmetauscher 1 über den Fluideinlass 8 zugeführte Fluid ohne aufwändige Zuleitungen gleichmäßig auf die einzelnen Rohrkörper 3 verteilt werden. Die Verteilung des Fluids auf die einzelnen Rohrkörper 3 geschieht mit Hilfe der sich in Stapelrichtung S erstreckenden Verbindungspfade 6 bzw. Verbindungs-Rohrkörper 10. Mittels der beiden Fluidsammler 12a, 12b kann das Fluid nach dem Durchströmen der Rohrkörper 3 und dem dort erfolgten Wärmeaustausch mit dem Gas – ohne dass ein aufwändiges Ableitungssystem erforderlich wäre – direkt aus den Rohrkörpern 3 gesammelt und aus dem Wärmetauscher abgeleitet 1 werden. Auch das Sammeln des Fluids aus den Rohrkörpern 3 erfolgt mit Hilfe der Verbindungspfade 6. Das Fluid strömt somit innerhalb eines Rohrkörpers 3 in entgegengesetzter Richtung zur Gas-Durchströmungsrichtung G durch die einzelnen Rohrkörper 3 (vgl. Pfeile 22 in 2), d. h. das Gas G strömt im Wesentlichen unter einem 180°-Winkel relativ zum Fluid durch die Zwischenräume 4 bzw. durch die Gaspfade 5. Mittels eines solchen Gegenstromprinzips kann erreicht werden, dass immer ein Temperaturgefälle zwischen dem Fluid und dem zu kühlenden Gas besteht. Somit ist sichergestellt, dass über die gesamten Gas- bzw. Fluidpfade 5, 2 hinweg auch ein Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Fluid stattfindet. Dies führt zu einer besonders hohen Effizienz des Wärmetauschers 1.
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Unter „Gas-Durchströmungsrichtung” wird vorliegend dabei diejenige Richtung verstanden, entlang welcher das Gas durch die Gaspfade 5 des Wärmetauschers 1 strömt, während es mit dem Fluid in thermische Wechselwirkung tritt. Es versteht sich, dass ein Teil des durch den Wärmetauscher 1 strömenden Gases abschnittsweise auch in eine Richtung strömen kann, die von der Gas-Durchströmungsrichtung G abweicht. Dies kann etwa der Fall sein, wenn sich im Gasstrom Strömungswirbel ausbilden. Bei der Gas-Durchströmungsrichtung G 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.
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Besonders zweckmäßig sind der Fluideinlass 8 und der Fluidauslass 9 in einer den Wärmetauscher 1 in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E begrenzenden Gehäusewand 14 angeordnet. Der Darstellung der 1 entnimmt man, dass der Wärmetauscher 1 nicht nur einen einzigen, sondern zwei Fluideinlässe 8 aufweisen kann, die in der Gehäusewand 14 an bezüglich der Stapelrichtung S gegenüberliegenden Wand-Enden 15a, 15b vorgesehen sind. Entsprechend sind sind auch zwei Fluidauslässe 9 vorhanden. Diese sind wie in 1 gezeigt in der Gehäusewand 14 an bezüglich der Stapelrichtung S gegenüberliegenden Wand-Enden 15a, 15b angeordnet.
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Bevorzugt sind die Verbindungspfade 6 entlang der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E bzw. Längsrichtung L der Rohrkörper 3 im Abstand zueinander angeordnet. Insbesondere kann die Anordnung wie in den 1 und 2 gezeigt mit jeweils äquidistantem Abstand a entlang der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E bzw. Längsrichtung L benachbarter Verbindungspfade 6 bzw. Verbindungs-Rohrkörper 10 erfolgen. Man erkennt, dass die Verbindungspfade 6 bzw. die Verbindungs-Rohrkörper 10 entweder an einem bezüglich der Querrichtung Q – und somit auch der Gas-Durchströmungsrichtung G – ersten Quer-Ende 16a der Rohrköper 3 oder einem dem ersten Quer-Ende 16a in Querrichtung Q bzw. Gas-Durchströmungsrichtung G gegenüberliegenden zweiten Quer-Ende 16b angeordnet. Die am ersten Quer-Ende 16a angeordneten Verbindungspfade 6 werden im Folgenden als „erste Verbindungspfade” 6 bezeichnet, die am zweiten Quer-Ende 16b angeordneten Verbindungspfade als „zweite Verbindungspfade” 6. Im Beispielszenario der Figuren besitzt der Wärmetauscher 1 dieselbe Anzahl an ersten und zweiten Verbindungspfaden 6. Die am ersten Quer-Ende 16a angeordneten Verbindungs-Rohrkörper 10 münden mit ihren ersten Rohrmündungen 7a im ersten Fluidverteiler 11a und mit ihren zweiten Rohrmündungen 7b im zweiten Fluidverteiler 11b. Entsprechend münden die am zweiten Quer-Ende 16b angeordneten Verbindungs-Rohrkörper 10 mit ihren ersten Rohrmündungen 7a im ersten Fluidsammler 12a und mit ihren zweiten Rohrmündungen 7b im zweiten Fluidsammler 12b. Um die Verbindungs-Rohrkörper 10 auch fluidisch mit den einzelnen Rohrkörpern 3 zu verbinden, so dass das Fluid aus den Verbindungs-Rohrkörpern 10 in die Rohrkörper 3 ein- bzw. austreten kann, können in den Verbindungs-Rohrkörpern 10 Durchbrüche ausgebildet sein (nicht gezeigt). Alternativ dazu können die Verbindungs-Rohrkörper 10 im Bereich der Rohrkörper 3 unterbrochen sein. Letztere Variante bietet sich insbesondere an, wenn der Wärmtauscher 1 einstückig ausgebildet ist, wie dies bei einer Herstellung des Wärmetauschers 1 unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens zutreffen mag.
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Die 3 zeigt ähnlich der 2 eine Teilansicht der 1, unterscheidet sich jedoch von 2 darin, dass der Wärmetauscher 1 in der Teilansicht der 3 gegenüber der 1 innerhalb eines Rohrkörpers 3 „abgeschnitten” dargestellt ist. Somit wird das Innere eines Rohrkörpers 3 – in 3 zusätzlich mit dem Bezugszeichen 3' bezeichnet – erkennbar. Man erkennt, dass im einem Rohrkörper 3' an einer diesen Rohrkörper 3' in Stapelrichtung S begrenzenden Rohrkörper-Wand 19 eine Mehrzahl von Turbulenzerzeugungselementen 20 ausgeformt ist. Solche Turbulenzerzeugungselemente 20 können auch in allen anderen Rohrkörpern 3 mit Ausnahme des ersten und zweiten Rohrkörpers 3a, 3b vorhanden sein. Die Turbulenzerzeugungselemente 20 stehen von dieser Rohrkörper-Wand 19 in den vom Rohrkörper begrenzten Fluidpfad 2 hinein ab. Mittels der Turbulenzerzeugungselemente 20 werden in dem durch die Fluidpfade 2 strömenden Fluid turbulente Strömungen erzeugt. Diese bewirken einen verbesserten Wärmeaustausch des Fluids mit dem durch die Gaspfade 5 strömenden Gas.
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Wie 3 anschaulich belegt, kann die Mehrzahl von Turbulenzerzeugungselementen 20 bezüglich einer Draufsicht auf die Rohrkörper-Wand 19 der Rohrkörper 3', 3 in der Stapelrichtung S rasterartig mit einer Mehrzahl von Rasterzeilen 21 angeordnet sein. In diesem Szenario umfasst jede Rasterzeile 21 wenigstens zwei Turbulenzerzeugungselemente 20 und erstreckt sich entlang der Gas-Durchströmungsrichtung G. Dabei sind die einzelnen Rasterzeilen 21 in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E benachbart und im Abstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Turbulenzerzeugungselemente 20 zweier in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E benachbarter Rasterzeilen 21 wie in 3 gezeigt in der Gas-Durchströmungsrichtung G versetzt zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das Fluid beim Durchströmen des jeweiligen Rohrkörpers 3, 3' zumindest auf ein Turbulenzerzeugungselement 20 trifft. Besonders ausgeprägte Turbulenzeffekte in dem durch die Rohrkörper 3 strömenden und dabei auf die Turbulenzerzeugungselemente 20 treffenden Fluid können erzeugt werden, wenn die Turbulenzerzeugungselemente 20 bezügliche einer Draufsicht auf die Rohrkörper-Wand 19 in der Stapelrichtung S eine gekrümmte geometrische Gestallt besitzen. Mittels der Turbulenzerzeugungselemente 20 wird das in entgegengesetzter Richtung zur Gas-Durchströmungsrichtung durch die Rohrkörper 3 strömende Fluid seitlich, also zur Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E hin abgelenkt.
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Wie in der 3 durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet, tritt das Fluid, also typischerweise ein Kühlmittel, durch einen der beiden Fluideinlasse 8 in den Wärmetauscher 1 und wird über den dem jeweiligen Fluideinlass 8 zugeordneten ersten oder zweiten Fluidverteiler 11a, 11b mittels der in Stapelrichtung S verlaufenden Verbindungspfade 6 auf die einzelnen Fluidpfade 2, die durch die Rohrkörper 3 begrenzt sind, verteilt. Hierzu wird das in den ersten bzw. zweiten Fluidverteiler 11a, 11b eingetretene Fluid über die am ersten Querende 16a angeordneten, von den Verbindungs-Rohrkörpern 10 gebildeten Verbindungspfade 6 in Stapelrichtung S auf die zwischen dem ersten und zweiten Rohrkörper 3a, 3b angeordneten Rohrkörper 3 verteilt. Die Rohrkörper 3 werden vom Fluid entlang der Gas-Durchströmungsrichtung G, die – zumindest im Beispiel der Figuren – auch parallel zur Querrichtung Q verläuft, durchströmt. Nach dem Durchströmen der Rohrkörper 3 wird das Fluid von den am zweiten Querende 16b angeordneten, von den Verbindungs-Rohrkörpern 10 gebildeten Verbindungspfaden aufgenommen und gelangt von dort in einen der beiden Fluidsammler 12a, 12b. Über den dem jeweiligen Fluidsammler 12a, 12b zugeordneten Fluidauslass 9 wird das Fluid wieder aus dem Wärmetauscher 1 ausgeleitet.
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Der vorangehend diskutierte Wärmetauscher 1 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. Bevorzugt kann das additive Herstellungsverfahren Laserschmelzen umfassen. Dies bedeutet, dass zum Herstellen des Wärmetauschers ein Laserschmelzverfahren verwendet wird. Mittels eines solchen Verfahrens kann der Wärmetauscher 1 mit seinen verschiedenen Komponenten direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt werden. Grundsätzlich wird der Wärmetauscher 1 beim Laserschmelzen werkzeuglos und schichtweise auf Basis des dem Wärmetauscher 1 zugeordneten dreidimensionalen CAD-Modells gefertigt. Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des Laserschmelzens, vereinfacht die Herstellung des Wärmetauschers 1 mit seiner gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern komplizierten Geometrie. Insbesondere gilt dies für die Herstellung der erfindungswesentlichen Verbindungs-Rohrkörper 10: Denn die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens erlaubt es, die einzelnen Komponenten des Wärmetauschers 1 wie etwa der Rohrkörper 3 einschließlich der Verbindungs-Rohrkörper 10, der Rippenstrukturen 24, der Fluidverteiler 11a, 11b und der Fluidsammler 12a, 12b etc. als CAD-Modell zu definieren und direkt aus einem solchen CAD-Modell heraus zu fertigen.
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Besonders bevorzugt kann der Wärmetauscher 1 einstückig ausgebildet sein. Eine solche, einstückige Ausbildung bildet sich insbesondere bei Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des Laserschmelzens, an. Mittels einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers 1 entfällt das sehr aufwändige und somit kostenintensive Befestigen der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers aneinander. Insbesondere entfällt das stoffschlüssige Befestigen der einzelnen Verbindungs-Rohrkörper 10 an den Rohrkörpern 3.
