DE102016103161B4

DE102016103161B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verdampfermoduls, Verdampfereinheit, Verdampfer und Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem

Info

Publication number: DE102016103161B4
Application number: DE102016103161.5A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Reul; Tobias DÜPMEIER
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: DE102016103161A1

Abstract

. Verfahren zur Herstellung eines Verdampfermoduls (1) mit einer integrierten Kapillarstruktur (16) aus einem gesinterten Werkstoff, gekennzeichnet durch folgende Schritte:- Bereitstellen eines metallischen Schalenkörpers (2), welcher einen bodenseitigen Wandabschnitt (3) besitzt, in welchem Kanäle (8) ausgebildet sind;- Befüllen des Schalenkörpers (2) mit einem pulverförmigen Sinterwerkstoff (S);- Aufbringen eines Deckelkörpers (12) auf den Schalenkörper (2);- Wenden des mit dem Deckelkörpers (12) versehenen Schalenkörpers (2), so dass Sinterwerkstoff (S) auf dem Deckelkörper (12) liegt und in den Kanälen (8) Kanalbereiche (15) entstehen, die frei von Sinterwerkstoff (S) sind;- Wärmebehandlung von Sinterwerkstoff (S), Schalenkörper (2) und Deckelkörper, derart dass der Sinterwerkstoff zur Kapillarstruktur (16) verfestigt und mit Wandbereichen (17) des Schalenkörpers (2) stoffschlüssig verbunden wird;- Entfernen des Deckelkörpers.

Description

Die Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zur Herstellung eines Verdampfermoduls mit einer integrierten Kapillarstruktur als auch eine Verdampfereinheit mit einem solchen Verdampfermodul, einen Verdampfer sowie ein Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem.
Maßnahmen zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades von Kraftfahrzeugen sind stets im Fokus der Kraftfahrzeug- bzw. Automobilindustrie. Ein großer Teil der chemisch gebundenen Energie, die zum Antrieb der Kraftfahrzeuge eingesetzt wird, geht in Form von Verbrennungswärme und Reibungswärme verloren. Aus diesem Grund ist man bestrebt, die Abgaswärme besser zu verwerten und zur Effizienzsteigerung der Kraftfahrzeuge einzusetzen. Neben Konzepten zur direkten Energierückgewinnung (Thermoelektrikrankine, Rankine) bieten Maßnahmen in Verbindung des Thermomanagements von Kraftfahrzeugen Möglichkeiten zur Abgaswärmenutzung. Solche Ansätze gehen in Richtung einer effizienteren Gestaltung der Innenraumbeheizung oder zur Verkürzung der Kaltstartphase bzw. zur Warmlaufbeschleunigung von Antriebsstrangkomponenten eines Kraftfahrzeuges.
Durch die DE 10 2011 103 110 B4 ist ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einem Kreislaufwärmerohr bekannt. Das Abgassystem weist ein Abgasrohr, einen Kondensator, einen Verdampfer sowie den Kondensator und den Verdampfer verbindende Leitungen auf. Ein Wärmetransport der dem Abgas entzogenen Wärmeenergie erfolgt über ein Arbeitsmedium. Der Verdampfer ist aus einem Abgasrohr, einer Kapillarstruktur und einem Hüllrohr gebildet. Die Kapillarstruktur ist als poröser Körper zwischen dem Abgasrohr und dem Hüllkörper ausgebildet, wobei das Arbeitsmedium beim Durchtritt durch die Kapillarstruktur von einem flüssigen in einen gas- bzw. dampfförmigen Zustand übergeht.
Das Wärmerohr zeichnet sich unter anderem durch einen hohen übertragbaren Wärmestrom und eine flexible geometrische Anordnung aus. Es funktioniert allein durch den Wärmeeintrag ohne ein mechanisches Pumpen des Arbeitsmediums. Möglich ist dies durch die Verwendung einer Kapillarstruktur im Verdampfer, welche die Strömungsdruckverluste des Arbeitsmediums durch den Kapillardruck kompensiert. Das bekannte Wärmerohr ist konzentrisch ausgeführt mit einer innenliegenden Gasführung. Dies lässt nur eine einseitige Wärmeabfuhr von innen nach außen zu. Auch ist die Fertigung von rohrförmigen Kapillarstrukturen aufwendig.
Aus der US 6,990,816 B1 ist ein planarer Verdampfer für ein Wärmeübertragersystem mit geschlossenem Kreislauf bekannt, wobei mehrere Verdampfer parallel geschaltet werden können.
Die DE 10 2010 031 561 A1 beschreibt ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors. Dieses System umfasst einen Verdampfer für eine Kraftfahrzeugabgasleitung, wobei einzelne Abgaskanäle zwischen sogenannten Doppelscheibenwandungen angeordnet sind, in denen ein Arbeitsmedium verdampft.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Verdampfermoduls mit einer integrierten Kapillarstruktur zu schaffen, eine Verdampfereinheit und einen Verdampfer mit solchen Verdampfermodulen aufzuzeigen sowie ein für die Praxis verbessertes Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem sowohl bauraum- als auch anwendungs- und fertigungstechnisch effizienter zu gestalten.
Die Lösung des verfahrenstechnischen Teils der Aufgabe zeigt Anspruch 1 auf.
Eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit ist Gegenstand von Anspruch 5.
Ein Verdampfer gemäß Anspruch 13 umfasst zumindest zwei erfindungsgemäße Verdampfereinheiten.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem ist Gegenstand sowohl von Anspruch 17 als auch von Anspruch 18.
Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verdampfermoduls wird ein metallischer Schalenkörper bereitgestellt. Dieser metallische Schalenkörper ist dünnwandig und besteht vorzugsweise aus Stahlblech. Selbstverständlich sind auch Schalenkörper aus Leichtmetallblech möglich. Als vorteilhaft wird eine Wandstärke des Schalenkörpers zwischen 0,1 mm bis 0,3 mm angesehen. Insbesondere ist der Schalenkörper ein Tiefziehteil. In einem bodenseitigen Wandabschnitt sind in dem Schalenkörper Kanäle ausgebildet. Die Profilierung des Schalenkörpers erfolgt vorzugsweise tiefziehtechnisch. Durch die Kanäle in dem bodenseitigen Wandabschnitt besitzt der Schalenkörper dort eine wellenförmig profilierte Struktur. Ein Aspekt der Erfindung sieht hier eine wellenförmige Profilierung des bodenseitigen Wandabschnitts als vorteilhaft an, welche aus sich aneinanderschließenden Schrägrippen ausgebildet ist. Die Schrägrippen schließen zickzackförmig aneinander, so dass zwischen den Schrägrippen die Kanäle ausgebildet sind. Die Tiefe bzw. Amplitude eines Kanals bzw. einer Welle und deren Breite wird entsprechend den wärmeübergangstechnischen Anforderungen und der gewünschten Leistung eines Verdampfermoduls ausgelegt. Insbesondere wird dies abgestimmt in Abhängigkeit von der Füllmenge des Sinterwerkstoffes und der Auslegung der herzustellenden Dampfrillen.
Der Schalenkörper kann grundsätzlich auch in Querrichtung und/oder Längsrichtung einen unterschiedlichen Wandstärkenverlauf besitzen. Auf diese Weise können beispielsweise seitliche Lötflansche eine größere Wandstärke besitzen als der bodenseitige Wandbereich des Schalenkörpers.
Der Schalenkörper wird mit einem pulverförmigen Sinterwerkstoff befüllt. Bei dem Sinterwerkstoff handelt es sich insbesondere um ein metallisches Sinterpulver oder ein Keramik-Slurry. Die Porengröße des Sinterpulvers liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2 bis 100 µm. Das Sinterpulver hat eine hohe Porosität und ist so konfiguriert, dass die fertige Kapillarstruktur eine hohe Porosität besitzt. Vorzugsweise liegt die Porosität in einem Bereich größer 40 % bis 80 %.
Nach dem Befüllen des Schalenkörpers mit dem Sinterwerkstoff wird auf den Schalenkörper ein Deckelkörper aufgebracht. Danach wird die Einheit aus befülltem Schalenkörper und Deckelkörper gewendet, so dass Sinterwerkstoff auf dem Deckelkörper liegt und in den Kanälen Kanalbereiche entstehen, die frei von Sinterwerkstoff sind. Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung dieser Einheit. Hierbei wird der Sinterwerkstoff gesintert und zur Kapillarstruktur verfestigt. Bei dieser Sinterbehandlung bzw. Wärmebehandlung wird der Sinterwerkstoff auch mit Wandbereichen des Schalenkörpers stoffschlüssig verbunden. Auf diese Weise entsteht die integrierte Kapillarstruktur im Verdampfermodul. Nach Abschluss des Sintervorgangs wird der Deckelkörper entfernt.
Die Kanalbereiche, die in den Spitzen der Kanäle frei von Sinterwerkstoff sind, bilden Dampfrillen, also Leitungen für den Dampfübergang und Dampftransport.
Vorzugsweise sind zumindest die mit dem Sinterwerkstoff in Kontakt gelangenden Flächen des Deckelkörpers vor dem Aufbringen auf den Schalenkörper mit einem Antihaftmittel versehen worden. Dies unterstützt bzw. erleichtert das Entfernen des Deckelkörpers vom Schalenkörper und der verfestigten Kapillarstruktur nach dem Sintern.
Auch der Deckelkörper ist geometrisch auf das herzustellende Verdampfermodul und die Geometrie der Kapillarstruktur abgestimmt. Der Deckelkörper weist eine Profilierung auf zur Erzeugung von Vertiefungen, Ausnehmungen und/oder Erhebungen auf der dem Schalenkörper gegenüberliegenden Seite der Kapillarstruktur. Hierbei kann es sich insbesondere um die Ausbildung von Flüssigkeitszuläufen und/oder Abschnitten der Dampfableitung handeln.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Füllvolumen des Sinterwerkstoffs bezogen auf das Aufnahmevolumen des Schalenkörpers kleiner 1 bemessen ist. Die Menge des Füllwerkstoffes wird abgestimmt auf die in den Kanälen ausgebildeten Dampfrillen. Die Dampfrillen werden durch die Kanalbereiche gebildet, die frei von Sinterwerkstoff sind. Diese Dampfrillen verlaufen insbesondere in Längsrichtung des Schalenkörpers in den Bereichen der Spitzen der Kanäle.
Vorzugsweise wird ein Schalenkörper verwendet, welcher sich vom bodenseitigen Wandabschnitt schräg erweiternde Seitenwände aufweist. Durch die schrägen Seitenwände wird der Füllvorgang des Sinterpulvers einerseits aber auch der Sinterprozess selbst vorteilhaft unterstützt. Insbesondere kann so ein Ablösen der Kapillarstruktur beim Sintern durch Schrumpfvorgänge entgegengewirkt werden. Im Rahmen der Erfindung werden Neigungswinkel von 0° bis 15° als vorteilhaft angesehen.
Die Kanäle im Schalenkörper können unterschiedliche gestaltet sein. Die Kanäle können sich geradlinig in Längsrichtung des Schalenkörpers erstrecken. Sie können aber auch mäanderförmig, gleichmäßig oder ungleichmäßig gekrümmt verlaufen. Je nach Kontur der Kanäle und geometrischer Ausbildung weisen auch die Dampfrillen eine unterschiedliche geometrische Konfiguration auf.
Eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit umfasst zumindest zwei wie beschrieben hergestellte Verdampfermodule. Die beiden Verdampfermodule werden aufeinander positioniert und miteinander gefügt.
Vorzugsweise sind die Verdampfermodule spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Die Schalenkörper bilden das metallische Gehäuse der Verdampfereinheit. Die beiden Kapillarstrukturen der Verdampfermodule kontaktieren einander randseitig bzw. in einem Randbereich. Insbesondere sind die Kapillarstrukturen in dem Randbereich miteinander gefügt. Dies kann vorteilhaft stoffschlüssig erfolgen, insbesondere löttechnisch. Die Kapillarstrukturen der beiden Verdampfermodule sind so gestaltet, dass zwischen ihnen eine Flüssigkeitskammer ausgebildet ist. Jeweils eine Hälfte einer Flüssigkeitskammer wird in die Kapillarstruktur durch die Geometrie des Deckelkörpers vorgegebenen und beim Sintern der Kapillarstruktur im Verdampfermodul erzeugt.
Wie bereits erläutert, ist der bodenseitige Wandabschnitt der Schalenkörper wellenförmig profiliert. Randseitig besitzen die Schalenkörper Flanschabschnitte, mit denen sie sich kontaktieren. Die beiden eine Verdampfereinheit bildenden Verdampfermodule sind an den Flanschabschnitten miteinander gefügt, insbesondere stoffschlüssig gefügt.
Vorzugsweise sind die Verdampfermodule spiegelsymmetrisch zu einer sich durch die Flüssigkeitskammer erstreckenden Mittelquerebene konfiguriert und angeordnet.
Zumindest zwei Verdampfereinheiten sind zu einem Verdampfer zusammengefasst. Auf diese Weise wird ein Stapel- bzw. Paketaufbau des aus mehreren Verdampfereinheiten gebildeten Verdampfers realisiert.
Vorzugsweise kontaktieren sich die beiden Verdampfereinheiten mit den wellenförmig profilierten Wandabschnitten der Schalenkörper und sind hier miteinander gefügt. Dies erfolgt schweiß- oder insbesondere löttechnisch.
Die Flüssigkeitskammern der Verdampfereinheiten bzw. des Verdampfers sind mit einem Flüssigkeitszulauf verbunden. Über den Flüssigkeitszulauf erfolgt die Zuführung und Verteilung von flüssigem Arbeitsmedium bzw. Kondensat zu den einzelnen Flüssigkeitskammern der Verdampfereinheiten.
Die Dampfrillen der Verdampfereinheiten münden in eine Dampfableitung, insbesondere in einen Dampfsammler und können von hier aus der weiteren Verwendung zugeleitet werden.
Zwischen den beiden miteinander gefügten Verdampfereinheiten ist zumindest ein Abgaskanal, insbesondere mehrere Abgaskanäle zur Durchleitung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine ausgebildet.
Das Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem weist einen geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsmedium auf. In dem Kreislauf ist ein Verdampfer integriert. Insbesondere besteht der Verdampfer aus Verdampfereinheiten bzw. Verdampfermodulen, wie im Rahmen der Erfindung erläutert.
Der Verdampfer steht mit einer Wärmequelle des Kraftfahrzeugs wärmeübertragend in Kontakt. Besonders vorteilhaft ist der Verdampfer in den Abgasstrom der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs integriert. Hierdurch kann die Abwärme des heißen Abgases genutzt werden. Das aus der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges abgeführte Abgas wird hierzu ganz oder teilweise durch den bzw. die Abgaskanäle geleitet. Im Verdampfer wird das Arbeitsmedium verdampft und strömt von dort aus über eine Dampfableitung zu einer weiteren Nutzung, insbesondere zu einem im Kraftfahrzeug angeordneten Kondensator. Im Kondensator erfolgt ein Wärmetausch mit einem Verbraucher, wobei das dampfförmige Arbeitsmedium kondensiert und verflüssigt wird. Über eine Rücklaufleitung wird das flüssige Arbeitsmedium in den Verdampfer zurückgeführt und gelangt über den Flüssigkeitszulauf wieder in die Flüssigkeitskammern.
Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem einen Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums auf. Der Verdampfer umfasst mindestens zwei Verdampfereinheiten mit einer integrierten Kapillarstruktur. Jede Verdampfereinheit weist zumindest einen wellenförmig profilierten Wandabschnitt auf. Diese wellenförmig profilierten Wandabschnitte der beiden Verdampfereinheiten sind aufeinander zu gerichtet und so zueinander angeordnet und abgestimmt, dass zwischen den Wandabschnitten, also auf der von der Kapillarstruktur außenliegenden Seite der einzelnen Verdampfereinheiten mindestens ein Abgaskanal, insbesondere mehrere Abgaskanäle ausgebildet sind. Innerhalb der Verdampfereinheiten wird durch die integrierte Kapillarstruktur eine Flüssigkeitsseite von einer Dampfseite getrennt. Die Flüssigkeitsseite ist mit einem Flüssigkeitszulauf für flüssiges Arbeitsmedium verbunden. Die Dampfseite steht mit einer Dampfableitung in Verbindung.
Auf der Dampfseite sind zwischen der Kapillarstruktur und dem Wandabschnitt Dampfrillen ausgebildet. Die Dampfrillen erstrecken sich in Längsrichtung der Verdampfereinheiten innen entlang der Spitzen bzw. Wellenberge der wellenförmig profilierten Wandabschnitte. Diese sind insbesondere durch V- und/oder U-förmig aneinander schließende Schrägrippen gebildet.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass Verdampfereinheiten metallische Schalenkörper aufweisen, in welchen die wellenförmig profilierten Wandabschnitte ausgebildet sind und darüber hinaus auch zumindest Abschnitte des Flüssigkeitszulaufs ausgeformt sind.
Vorzugsweise sind zwei Verdampfereinheiten symmetrisch zu einer sich durch die einander kontaktierenden Wandabschnitte erstreckenden Symmetrieebene angeordnet.
Ein erfindungsgemäßer Verdampfer zeichnet sich durch seinen Stapelaufbau der Verdampfereinheiten aus. Hierdurch ist eine Modularisierung und Skalierung möglich. Weiterhin kann auf kompaktem Bauraum eine große Wärmeübertragerfläche realisiert werden. Die effektive Wärmeübertragerfläche kann über die Größe der Verdampfereinheiten bzw. der an der Wärmeübertragung beteiligten Flächen, insbesondere der Kanäle, also insbesondere der Abgaskanäle und auch der Dampfrillen und deren Kontur eingestellt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehrere Verdampfer bzw. Verdampfereinheiten parallel zu betreiben. Hierdurch kann die Leistung und der Wirkungsgrad in bestimmten Betriebspunkten ausgelegt werden.
Bei dem Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem tritt Abgas über einen Abgaseintritt in den bzw. die Abgaskanäle ein und über einen Abgasaustritt aus dem Verdampfer wieder aus. Wie erwähnt, wird vorzugsweise der von der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges kommende Abgasstrom verteilt über mehrere Abgaskanäle ganz oder teilweise durch den Verdampfer geführt. Hierzu ist dem Verdampfer eine Abgaszuführung auf der Eingangsseite und auf der Ausgangsseite eine Abgasableitung zugeordnet.
In einer Verdampfereinheit sind durch die Kapillarstruktur eine Flüssigkeitsseite und eine Dampfseite voneinander getrennt. Auf der Dampfseite sind zwischen der Kapillarstruktur und den Wandabschnitt des Schalenkörpers Dampfrillen ausgebildet. Die Kapillarstruktur ist in den Verdampfereinheiten bzw. den zu einer Verdampfereinheit gebildeten Verdampfermodulen durch einen Sinterprozess eines Sinterwerkstoffs gebildet und weist eine poröse Struktur auf. Vorzugsweise ist die Kapillarstruktur auf metallischer Basis ausgeführt.
Im Betrieb wird das Arbeitsmedium von der Flüssigkeitsseite einer Verdampfereinheit durch die Kapillarstruktur hindurchgeführt und verdampft hierbei. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus einer Verdampfereinheit weist diese eine mittige Flüssigkeitsseite mit einer zentralen Flüssigkeitskammer und zwei außenliegende Dampfseiten mit Dampfrillen auf. Es erfolgt eine zweiflutige Verdampfung in Richtung der Außenseiten der Verdampfereinheiten. Die Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Dampf während des Betriebs des Verdampfers verläuft in der Kapillarstruktur, wodurch ein Kapillardruck aufgebaut wird, der den Kreislauf des Arbeitsmediums erzeugt und sicherstellt.
Auf der Dampfseite tritt das Arbeitsmedium im gas- bzw. dampfförmigen Zustand aus der Kapillarstruktur aus und strömt über die Dampfrillen zu einer Dampfableitung bzw. einem Dampfsammler. Von hier aus wird das dampfförmige Arbeitsmedium im Kreislauf ab- bzw. weitergeleitet.
Im Rahmen der Erfindung kann dem Verdampfer ein Ausgleichsbehälter für das Arbeitsmedium zugeordnet sein. Hierbei kann der Ausgleichsbehälter insbesondere in die Rücklaufleitung zwischen Kondensator und Verdampfer integriert sein. Weiterhin sind zweckmäßigerweise Mittel für einen Druckausgleich im System, insbesondere im Verdampfer vorgesehen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 in perspektivischer Darstellungsweise einen Ausschnitt aus einem schematisch dargestellten Schalenkörper;
2a bis 2e den Herstellungsprozess eines Verdampfermoduls mit der Darstellung von fünf Arbeitsschritten;
3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit;
4 im Querschnitt einen Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers;
5 ebenfalls im Querschnitt einen Ausschnitt aus einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers;
6 in perspektivischer Darstellungsweise eine Ansicht auf einen Schalenkörper;
7 in der Perspektive eine Ansicht auf einen Deckelkörper;
8 eine Ansicht auf einen durch den Deckelkörper verschlossenen Schalenkörper;
9 die Darstellung von 8 teilweise aufgeschnitten;
10 eine Ansicht auf das Verdampfermodul mit Schalenkörper und integrierter Kapillarstruktur in einer Ansicht von der Flüssigkeitsseite;
11 in perspektivischer Darstellungsweise mehrere zu einem Verdampfer zusammengeschlossene Verdampfereinheiten;
12 eine Seitenansicht auf den Verdampfer gemäß der Darstellung von 11;
13 einen Querschnitt durch den Verdampfer gemäß der 12 entlang der Linie A-A;
14 einen Längsschnitt durch den Verdampfer gemäß der 12 entlang der Linie B-B und
15 den Ausschnitt C der 14 in vergrößerter Darstellung.

Einander entsprechende Bauteile und Bauteilkomponenten sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand der 1 und der 2a) bis e) ist der Herstellungsprozess eines erfindungsgemäßen Verdampfermoduls 1 erläutert.
Ausgangsprodukt bildet eine ebene Metallplatine, insbesondere ein Stahlblech, welches im Wege eines Tiefziehverfahrens zu einem Schalenkörper 2 geformt und zur Herstellung eines Verdampfermoduls 1 bereitgestellt wird.
Der Schalenkörper 2 weist einen bodenseitigen Wandabschnitt 3 auf, welcher wellenförmig profiliert ist. Die wellenförmige Profilierung besteht aus sich V-förmig aneinander schließenden Schrägrippen 4, 5. Die Schrägrippen 4, 5 gehen jeweils über innere Bögen 6 und äußere Spitzen 7 ineinander über. Auf diese Weise sind im bodenseitigen Wandabschnitt 3 Kanäle 8 ausgebildet.
Der Schalenkörper 2 weist Seitenwände 9 auf. Diese verlaufen schräg und erweitern sich ausgehend vom bodenseitigen Wandabschnitt 3 zur Öffnungsseite 10 des Schalenkörpers 2. Randseitig weist der Schalenkörper 2 nach außen von den Seitenwänden 9 quer abstehende Flanschabschnitte 11 auf (siehe hierzu auch 1). Die Flanschabschnitte 11 begrenzen den Schalenkörper 2 umlaufend. Diesbezüglich wird ergänzend auf 6 verwiesen.
Zur Herstellung eines Verdampfermoduls 1 wird der metallische Schalenkörper 2 bereitgestellt (2a). Der Schalenkörper 2 wird mit einem pulverförmigen Sinterwerkstoff S befüllt. Die Menge an Sinterwerkstoff S ist so bemessen, dass das Füllvolumen des Sinterwerkstoffs S bezogen auf das Aufnahmevolumen des Schalenkörpers 2 kleiner 1 ist (2b).
Anschließend wird der mit Sinterwerkstoff S befüllte Schalenkörper 2 durch einen Deckelkörper 12 verschlossen (2c). Der Deckelkörper 12 weist in seinem mittleren Bereich eine Erhebung 13 auf. Die Innenseite 14 des Deckelkörpers 12, insbesondere die mit dem Sinterwerkstoff S in Kontakt gelangende Fläche des Deckelkörpers 12, ist mit einem Antihaftmittel versehen.
Die aus mit Sinterwerkstoff S befüllten Schalenkörper 1 und Deckelkörper 12 gebildete Einheit wird nun um 180° gewendet, so dass der rieselfähige Sinterwerkstoff S auf dem Deckelkörper 12 liegt und im Bereich der Spitzen 7 der Kanäle 8 Kanalbereiche 15 entstehen, welche frei von Sinterwerkstoff S sind ( 2d).
Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung, bei welcher der Sinterwerkstoff S zu einer Kapillarstruktur 16 verfestigt wird und eine stoffschlüssige Verbindung mit seitlichen Wandbereichen 17 an den Seitenwänden 9 des Schalenkörpers 2 eingeht. Zur Wärmebehandlung kann die Einheit aus mit Sinterwerkstoff S befülltem Schalenkörper 2 und Deckelkörper 12 in einem Ofen oder einer anderen geeigneten Heizeinrichtung auf die spezifische Sintertemperatur des Sinterwerkstoffs gebracht und temperiert werden.
Nach dem Sintervorgang wird der Deckelkörper 12 entfernt (2e). Durch die Erhebung 13 im Deckelkörper 12 ist in der aus dem Sinterwerkstoff S hergestellten Kapillarstruktur 16 eine Ausnehmung 18 gebildet. Diese befindet sich auf der dem bodenseitigen Wandabschnitt 3 abgewandten Öffnungsseite 10 des Schalenkörpers 2 in der Kapillarstruktur 16. Entlang der Spitzen 7 sind durch die Kanalbereiche 15, welche frei von Sinterwerkstoff S waren, Dampfrillen 19 ausgebildet.
Die 3 zeigt eine Verdampfereinheit 20, welche zwei Verdampfermodule 1 umfasst. Die beiden Verdampfermodule 1 sind aufeinander positioniert und miteinander gefügt. Dies erfolgt stoffschlüssig durch Löten.
Bei beiden Schalenkörper 2 der Verdampfermodule 1 liegen mit ihren randseitigen Flanschabschnitten 11 aufeinander und sind hier fügetechnisch verbunden. Des Weiteren kontaktieren sich die Kapillarstrukturen 16 der Verdampfermodule 1 in den die Ausnehmung 18 umgebenden Randbereichen 21. In diesen Randbereichen 21 sind die beiden Kapillarstrukturen 16 miteinander löttechnisch gefügt. So bilden die beiden Kapillarstrukturen 16 eine Einheit.
Insgesamt ist die Anordnung spiegelsymmetrisch zur Mittelebene.
In der Mitte der Kapillarstrukturen 16 ist zwischen diesen eine Flüssigkeitskammer 22 ausgebildet. Diese setzt sich zusammen aus den beiden Ausnehmungen 18 in den Kapillarstrukturen 16. Die beiden Schalenkörper 1 bilden zusammen ein äußeres Gehäuse 23 der Verdampfereinheit 1. Die bodenseitigen Wandabschnitte 3 mit der wellenförmigen Profilierung weisen nach außen. Im Inneren der Verdampfereinheit 1 sind jeweils zwischen der Kapillarstruktur 16 und den Wandbereichen 3 die Dampfrillen 19 in den Spitzen 7 ausgebildet. Durch die Kapillarstrukturen 16 sind in der Verdampfereinheit 1 eine Flüssigseite 24 und zwei Dampfseiten 25 getrennt. Die Flüssigseite 24 befindet sich auf der Seite der Flüssigkeitskammer 22. Die Dampfseiten 25 befinden sich jeweils entlang der Wandbereiche 13 und der dort ausgebildeten Dampfrille 19.
Die 4 und 5 zeigen zwei Verdampfer 26, 27, aufgebaut aus mehreren Verdampfereinheiten 20 bzw. Verdampfermodulen 1. Die Verdampfereinheiten 20 kontaktieren sich mit den wellenförmig profilierten Wandabschnitten 3 der Schalenkörper 1 und sind dort löttechnisch verbunden. Zwischen den beiden miteinander gefügten Verdampfereinheiten 20 sind in Längsrichtung verlaufende Abgaskanäle 28 ausgebildet.
Der in 4 zu erkennende Verdampfer 26 umfasst insgesamt drei Verdampfereinheiten 20. Diese Verdampfereinheiten 20 können in einem äußeren, hier nicht näher dargestellten Gehäuse positioniert sein. Jeweils zwei Verdampfereinheiten 20 sind symmetrisch zu einer sich durch die einander kontaktierenden Wandabschnitte 3 erstreckenden Symmetrieebene (SE) angeordnet.
Bei dem Verdampfer 27, wie in der 5 zu erkennen, ist eine Verdampfereinheit 20 in der Mitte vorgesehen. Jeweils außenseitig, also in Bildebene oben und unten, ist ein Verdampfermodul 1 angeordnet. Verdampfermodul 1 und Verdampfereinheit 20 kontaktieren sich mit den äußeren wellenförmig profilierten Wandabschnitten 3 und sind hier gefügt. Jeweils dazwischen verlaufen Abgaskanäle 28. Die außen liegenden Verdampfermodule 1 sind entlang ihrer Öffnungsseiten 10 durch einen Deckel 29 verschlossen.
Es versteht sich, dass zwischen den außen liegenden Verdampfermodulen 1 mehrere Verdampfereinheiten 20 stapelartig parallel geschaltet sein können.
In der 6 ist ein metallischer Schalenkörper 2 eines Verdampfermoduls 1 in einer Perspektive dargestellt. Die Darstellung zeigt eine Ansicht schräg von oben auf die Öffnungsseite 10 des Schalenkörpers 2. Man erkennt hier, dass die Kanäle 8 und die die Kanäle 8 ausbildenden Schrägrippen 4, 5 in Längsrichtung des Schalenkörpers 2 wellenlinienförmig bzw. mäanderförmig verlaufen. Ein solcher wellenförmiger Verlauf der Kanäle 8 bedingt, dass auch die Dampfrillen 19 wellenförmig bzw. mäanderförmig verlaufen. Diese Ausgestaltung der Kanäle 8 bzw. der Dampfrille 19 verbessert den Wärmeübergang und trägt zu einer erheblichen Effizienzsteigerung der Verdampfermodule 20 bzw. der aus den Verdampfermodulen 20 aufgebauten Verdampfer 26, 27 bei.
Die randseitigen Flanschabschnitte 11 verlaufen umlaufend und gehen über die schrägen Seitenwände 9 in den bodenseitigen Wandabschnitt 3 über.
An einer Längsseite 30 des Schalenkörpers 2 ist ein Anschlussfortsatz 31 vorgesehen mit einem Durchzug 32 und einem quer in Richtung zum bodenseitigen Wandabschnitt 3 in den Schalenkörper 2 mündenden Anschlusskanal 33. Diese bilden einen Flüssigkeitsanschluss 34 zu den Flüssigkeitskammern 22 bei dem fertigen Verdampfermodul 1 bzw. den Verdampfereinheiten 20.
Die 7 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die Innenseite 14 eines Deckelkörpers 12. Der Deckelkörper 12 bildet die Negativform für die am Verdampfermodul 1 an der Öffnungsseite 10 des Schalenkörpers 2 herzustellenden Geometrie der Kapillarstruktur 16. Der Deckelkörper 12 weist die rechteckig konfigurierte Erhebung 13 im mittleren Bereich auf mit einem quer gerichteten Steg 35 und einem Domfortsatz 36. Hierüber wird der Flüssigkeitsanschluss 34 zu den Flüssigkeitskammern 22 in den Kapillarstrukturen 16 realisiert. Des Weiteren ist an einem Kopfende 37 des Deckelkörpers 12 ein wellenförmig ausgestalteter Formsteg 38 vorgesehen. Dieser bildet die Negativform für einen am Wärmetauschermodul 1 herzustellenden Dampfsammler 39.
Eine perspektivische Ansicht auf einen Schalenkörper 1, welcher mit dem Deckelkörper 12 verschlossen ist, zeigt die 8. Wie zuvor beschrieben, ist der Schalenkörper 1 mit Sinterwerkstoff S befüllt und öffnungsseitig durch den Deckelkörper 12 verschlossen worden. Die mit dem Sinterwerkstoff S in Kontakt gelangenden Flächen, also insbesondere die Flachseite der Erhebung 13 sind mit einem Antihaftmittel versehen worden. Dies erleichtert die Entfernung des Deckelkörpers 12 bzw. das Ablösen des Deckelkörpers 12 nach dem Sintern des Sinterwerkstoffs S zur Kapillarstruktur 16.
Die 9 zeigt die Darstellung der 8, jedoch teilweise aufgeschnitten, so dass man die innenliegenden Bereiche erkennt. Der Sinterwerkstoff S liegt auf dem Deckelkörper 12 auf. In den Spitzen 7 der Kanäle 8 sind Kanalbereiche 15, die frei von Sinterwerkstoff S sind. Diese Kanalbereiche 15 bilden die späteren Dampfrillen 19 im Verdampfermodul 1.
10 zeigt ein Verdampfermodul 1 nach Abschluss des Sintervorgangs. Der Deckelkörper 12 ist entfernt. Die Ansicht ist perspektivisch schräg von oben. Das Verdampfermodul 1 weist die im Schalenkörper 2 integrierte Kapillarstruktur 16 auf. Quer an der Kopfseite ist der Dampfsammler 39 ausgebildet. Der Flüssigkeitsanschluss 34 umfasst den Durchzug 32 und den Anschlusskanal 33.
Einen Verdampfer 40, gebildet aus mehreren zusammengeschalteten Verdampfereinheiten 20, zeigt 11.
Die 12 zeigt eine Seitenansicht auf den Verdampfer 40.
Die Verdampfereinheiten 20 sind stapelartig zusammengeschalten. Die Spitzen 7 der wellenförmig profilierten Wandabschnitte 3 der einzelnen Verdampfereinheiten 20 kontaktieren einander und sind miteinander gefügt, insbesondere erfolgt die Fügung löttechnisch. Die Flüssigkeitsanschlüsse 34 der einzelnen Verdampfereinheiten 20 sind untereinander verbunden und kommunizieren miteinander. Auf diese Weise entsteht ein zentraler Flüssigkeitszulauf 41 für die Zuführung von flüssigem Arbeitsmedium AM. Über den Flüssigkeitszulauf 41 wird die Flüssigkeit zu den einzelnen Flüssigkeitskammern 22 der Verdampfereinheiten 20 bzw. Verdampfermodule 1 geleitet und verteilt.
Eine Ableitung von verdampftem Arbeitsmedium D erfolgt über eine Dampfableitung 42, von der in der 11 der Abgangsstutzen 43 zu erkennen ist. Die Dampfableitung 42 steht mit dem Dampfsammler 39 in Verbindung.
13 zeigt einen Querschnitt durch die Darstellung der 12 entlang der Linie A-A. Die 14 zeigt einen Längsschnitt durch den Verdampfer 40 entsprechend der 12 entlang der Linie B-B. Weiterhin ist in der 15 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts C der 14 dargestellt.
Auch die 13 und 14 verdeutlichen, dass der Verdampfer 40 aus mehreren Verdampfereinheiten 20 gebildet ist. Diese sind zusammengeschaltet, wobei sich die Spitzen 7 entlang der profilierten Wandabschnitte 3 der Verdampfereinheiten 20 kontaktieren und miteinander verlötet sind.
Die einzelnen Flüssigkeitsanschlüsse 34 der Verdampfereinheiten 20 bilden den zentralen Flüssigkeitszulauf 41, welcher sich quer über den Verdampfer 40 erstreckt. Über den Flüssigkeitszulauf 41 erfolgt die Zuführung von flüssigem Arbeitsmedium AM, welches verteilt und den einzelnen Flüssigkeitskammern 22 der Verdampfereinheiten 20 zugeführt wird. Zwischen den Verdampfereinheiten 20 sind in Längsrichtung des Verdampfers 40 die Abgaskanäle 28 ausgebildet. Die Abgaskanäle 28 haben in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen rautenförmigen Querschnitt.
Das flüssige Arbeitsmedium AM verteilt sich auf der Flüssigseite 24 in den Flüssigkeitskammern 22 über die Fläche der Kapillarstrukturen 16. Gleichzeitig wird durch die Abgaskanäle 28 heißes Abgas AG geleitet. Durch Wärmeübergang vom durch die Abgaskanäle 26 strömenden heißen Abgas AG wird das Arbeitsmedium AM in den Verdampfereinheiten 20 verdampft. Der Phasenübergang von Flüssigkeit zu Dampf verläuft in der Kapillarstruktur 16. Hierdurch wird ein Kapillardruck aufgebaut, der den Kreislauf des Arbeitsmediums AM bewirkt. Das Arbeitsmedium AM tritt von der Flüssigkeitsseite durch die Kapillarstruktur 16 hindurch und geht vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand über. Auf der Dampfseite 25 strömt das dampfförmige Arbeitsmedium D durch die Dampfrillen 19 bzw. entlang der Dampfrillen 19 bis es in den Dampfsammler 36 gelangt und wird über die Dampfableitung 42 der weiteren Nutzung, insbesondere einem Kondensator, zugeleitet.
Die 15 zeigt in vergrößerter Darstellungsweise den Ausschnitt C aus der 14. Dort erkennt man die Dampfsammler 39. Weiterhin sind in den Randbereichen der aneinander liegenden Schalenkörper 2 Durchgänge 44 vorgesehen. Hierüber wird ein Druckausgleich zwischen den Dampfsammlern 39 realisiert.
In einem Kondensator kann die Wärme des dampfförmigen Arbeitsmediums D an einen Verbraucher abgegeben werden. Insbesondere kann der Kondensator Bestandteil einer Erwärmungseinrichtung des Kraftfahrzeugs sein und beispielsweise zur Erwärmung einer Betriebsflüssigkeit oder der Innenraumbeheizung dienen. In Folge der Wärmeabgabe wird das dampfförmige Arbeitsmedium D im Kondensator verflüssigt und strömt dann über eine zum Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem gehörende Zulaufleitung in den Flüssigkeitszulauf 41 des Verdampfers 40 und damit zurück in den Verdampfer 40.
Bezugszeichenliste

1 -: Verdampfermodul
2 -: Schalenkörper
3 -: Wandabschnitt
4 -: Schrägrippe
5 -: Schrägrippe
6 -: Bogen
7 -: Spitze
8 -: Kanal
9 -: Seitenwand
10-: Öffnungsseite
11 -: Flanschabschnitt
12 -: Deckelkörper
13 -: Erhebung
14 -: Innenseite
15 -: Kanalbereich
16 -: Kapillarstruktur
17-: Wandbereich
18 -: Ausnehmung
19 -: Dampfrille
20 -: Verdampfereinheit
21 -: Randbereich
22 -: Flüssigkeitskammer
23 -: Gehäuse
24 -: Flüssigkeitsseite
25 -: Dampfseite
26 -: Verdampfer
27 -: Verdampfer
28 -: Abgaskanal
29 -: Deckel
30 -: Längsseite
31 -: Anschlussfortsatz
32 -: Durchzug
33 -: Anschlusskanal
34 -: Flüssigkeitsanschluss
35 -: Steg
36 -: Domfortsatz
37 -: Kopfende
38 -: Formsteg
39 -: Dampfsammler
40 -: Verdampfer
41 -: Flüssigkeitszulauf
42-: Dampfableitung
43 -: Abgangsstutzen
44 -: Durchgang
AM -: flüssiges Arbeitsmedium
D -: Dampf
ME -: Mittelebene
S -: Sinterwerkstoff
SE -: Symmetrieebene

Claims

. Verfahren zur Herstellung eines Verdampfermoduls (1) mit einer integrierten Kapillarstruktur (16) aus einem gesinterten Werkstoff, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bereitstellen eines metallischen Schalenkörpers (2), welcher einen bodenseitigen Wandabschnitt (3) besitzt, in welchem Kanäle (8) ausgebildet sind; - Befüllen des Schalenkörpers (2) mit einem pulverförmigen Sinterwerkstoff (S); - Aufbringen eines Deckelkörpers (12) auf den Schalenkörper (2); - Wenden des mit dem Deckelkörpers (12) versehenen Schalenkörpers (2), so dass Sinterwerkstoff (S) auf dem Deckelkörper (12) liegt und in den Kanälen (8) Kanalbereiche (15) entstehen, die frei von Sinterwerkstoff (S) sind; - Wärmebehandlung von Sinterwerkstoff (S), Schalenkörper (2) und Deckelkörper, derart dass der Sinterwerkstoff zur Kapillarstruktur (16) verfestigt und mit Wandbereichen (17) des Schalenkörpers (2) stoffschlüssig verbunden wird; - Entfernen des Deckelkörpers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mit dem Sinterwerkstoff (S) in Kontakt gelangende Fläche des Deckelkörpers (12) vor dem Aufbringen auf den Schalenkörper (2) mit einem Antihaftmittel versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllvolumen des Sinterwerkstoffs (S) bezogen auf das Aufnahmevolumen des Schalenkörpers (2) kleiner 1 bemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalenkörper (2) verwendet wird, welcher sich vom bodenseitigen Wandabschnitt (3) schräg erweiternde Seitenwände (9) aufweist.
Verdampfereinheit umfassend zwei Verdampfermodule (1) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verdampfermodule (1) aufeinander positioniert und miteinander gefügt sind.
Verdampfereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kapillarstrukturen (16) der Verdampfermodule (1) in einem Randbereich (21) kontaktieren.
Verdampfereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstrukturen (16) in dem Randbereich (21) miteinander gefügt sind.
Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kapillarstrukturen (16) eine Flüssigkeitskammer (22) ausgebildet ist.
Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bodenseitige Wandabschnitt (3) wellenförmig profiliert ist.
Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kapillarstruktur (16) und dem bodenseitigen Wandbereich (17) Dampfrillen (19) ausgebildet sind.
Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenkörper (2) randseitige Flanschabschnitte (11) besitzen und die Verdampfermodule (1) mit den Flanschabschnitten (11) aneinander gefügt sind.
Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfermodule (1) spiegelsymmetrisch zu einer sich durch die Flüssigkeitskammer (22) erstreckenden Mittelebene (ME) konfiguriert und angeordnet sind.
Verdampfer umfassend zumindest zwei Verdampfereinheiten (20) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12.
Verdampfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheiten (20) sich mit den wellenförmig profilierten Wandabschnitten (3) der Schalenkörper (2) kontaktieren und miteinander gefügt sind.
Verdampfer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfrillen (19) in eine Dampfableitung (42), insbesondere in einen Dampfsammler (39), münden.
Verdampfer nach einem der Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskammern (22) mit einem Flüssigkeitszulauf (41) verbunden sind.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsmedium, wobei das Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem zumindest einen Abgaskanal (28) zur Durchleitung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs umfasst und zur Verdampfung des Arbeitsmediums einen den Abgaskanal (28) kontaktierenden Verdampfer (26, 27; 40) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16 aufweist.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsmedium, wobei das Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem einen Verdampfer (26, 27; 40) zur Verdampfung des Arbeitsmediums aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (26, 27; 40) mindestens zwei Verdampfereinheiten (20) mit einer integrierten Kapillarstruktur (16) umfasst und jede Verdampfereinheit (20) zumindest einen wellenförmig profilierten Wandabschnitt (3) aufweist, wobei die Wandabschnitte (3) der Verdampfereinheiten (20) aufeinander zu gerichtet sind und zwischen den Wandabschnitten (3) wenigstens ein Abgaskanal (28) ausgebildet ist und jede Verdampfereinheit (20) eine durch die Kapillarstruktur (16) getrennte Flüssigseite (24) und zumindest eine Dampfseite (25) aufweist, wobei die Flüssigseite (24) mit einem Flüssigkeitszulauf (41) für flüssiges Arbeitsmedium (AM) und die Dampfseite (25) mit einer Dampfableitung (42) in Verbindung steht.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Dampfseite (25) zwischen der Kapillarstruktur (16) und dem Wandabschnitt (3) Dampfrillen (19) ausgebildet sind.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der wellenförmig profilierte Wandabschnitt (3) V- und/oder U-förmig aneinanderschließende Schrägrippen (4, 5) aufweist.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verdampfereinheit (20) zumindest einen metallischen Schalenkörper (2) umfasst, in welchem der wellenförmig profilierte Wandabschnitt (3) und zumindest Abschnitte des Flüssigkeitszulaufs (41) ausgebildet sind.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verdampfereinheiten (20) symmetrisch zu einer sich durch die einander kontaktierenden Wandabschnitte (3) erstreckenden Symmetrieebene (SE) angeordnet sind.