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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Wärmetauscher.
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Wärmetauscher finden im Fahrzeugbau in vielfältiger Weise Verwendung, so beispielsweise als Kühlvorrichtung in einem Ladeluftkühler zum kühlen der mittels einer Ladeeinrichtung aufgeladenen Ladeluft. Bekannt ist ferner die Verwendung in sogenannten Absorptionskühlern wie beispielsweise in der
US 2009/0193829 beschrieben. Von zentraler Bedeutung für den Wirkungsgrad derartiger Kühleinrichtungen ist die Effizienz, mittels welcher Wärme von dem zu kühlenden Medium auf das Kühlmedium übertragen werden kann.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmetauschern, insbesondere hinsichtlich der Effizienz des mit ihnen erzielbaren Wärmeaustausches zwischen zwei Fluiden, neue Wege aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, einen Wärmetauscher mit einem inneren Rohrkörper zum Durchströmen mit einem ersten Fluid und mit einem äußeren Rohrkörper zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid, und zwar fluidisch getrennt zum ersten Fluid, auszustatten. Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden, insbesondere um das erste Fluid zu kühlen, erfolgt durch die Rohrwandung des inneren Rohrkörpers hindurch, welche daher vorzugsweise ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zur Verbesserung des Wärmetransfers zwischen den beiden Fluidpfaden weist die Rohrwandung des inneren Rohrkörpers an ihrer Außenseite eine rippenartige Struktur auf. Die rippenartige Struktur dient dazu, die effektiv für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche der Rohrwandung zu erhöhen. Dies führt zu einem verbesserten Wärmeaustausch zwischen den durch die beiden Rohrkörper strömenden Fluiden und folglich zu einer verbesserten Effizienz des Wärmetauschers.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst wenigstens ein Plattenpaar, welches eine erste Wärmetauscherplatte und eine zweite Wärmetauscherplatte aufweist. Die beiden Wärmetauscherplatten können mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Löt- oder Schweißverbindung, aneinander befestigt sein. In einem aneinander befestigten Zustand begrenzen die beiden Wärmetauscherplatten einen ersten Fluidpfad zum Durchströmen mit einem ersten Fluid. Das erste Fluid kann mittels des Wärmetauschers zu kühlende Luft sein. In dem von den beiden Wärmetauscherplatten begrenzten ersten Fluidpfad des wenigstens einen Plattenpaars ist wenigstens ein innerer Rohrkörper angeordnet, welcher einen zweiten Fluidpfad zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid, und zwar fluidisch getrennt zum ersten Fluid, begrenzt. In diesem Szenario strömt also das zweite Fluid durch den vom inneren Rohrkörper begrenzten zweiten Fluidpfad und das erste Fluid durch den zwischen innerem Rohrkörper und dem Plattenpaar begrenzten Zwischenraum. Das zweite Fluid kann ein geeignetes Kühlmittel sein, welches in flüssiger und/oder gasförmiger Phase vorliegen kann und den zweiten Fluidpfad fluidisch getrennt vom ersten Fluid durchströmt. Der innere Rohrkörper besitzt dabei eine Rohrwandung, an deren Außenseite eine rippenartige Struktur angeordnet ist. Der Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid erfolgt dabei durch die Rohrwandung des inneren Rohrkörpers hindurch. Die rippenartige Struktur dient erfindungsgemäß dazu, die effektiv für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche der Rohrwandung zu erhöhen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine innere Rohrkörper als Flachrohr ausgebildet, welches sich entlang einer ersten Längserstreckungsrichtung erstreckt, derart, dass der innere Rohrkörper in einem Querschnitt senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung zwei Schmalseiten und zwei Breitseiten aufweist. Dies erlaubt die Realisierung des Wärmetauschers in Flachbauweise. Bei dieser Variante ist die rippenartige Struktur an zumindest einer Breitseite, vorzugsweise an beiden Breitseiten, angeordnet.
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Die dem ersten Fluid beim Durchströmen des ersten Fluidpfads zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Wärmeaustauschfläche kann gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern besonders stark erhöht werden, wenn die rippenartige Struktur mit einer Mehrzahl von nach außen abstehenden Rippen ausgestattet ist, die sich in dem Querschnitt senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung in Richtung der Schmalseiten erstrecken.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Rippen entlang des wenigstens einen inneren Rohrkörpers äquidistant zueinander angeordnet. Diese Maßnahme unterstützt die gleichmäßige Umströmung der Rippen durch das zweite Fluid, was einen besonders homogenen Wärmeaustausch sicherstellt.
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Besonders zweckmäßig stehen die Rippen rechtwinklig vom wenigstens einen inneren Rohrkörper ab. Auf diese Weise können die Ruppen zusätzlich die Funktion von Strömungsleitelementen für das zweite Fluid übernehmen.
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Um eine hohe mechanische Steifigkeit des Wärmetauschers, insbesondere der inneren Rohrkörper, sicherzustellen und gleichzeitig eine gute thermische Kopplung der beiden durch den Wärmetauscher strömenden Fluide zu gewährleisten, wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, als Material für die inneren Rohrkörper Stahl, insbesondere Edelstahl, zu verwenden.
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Besonders einfach herzustellen und somit mit besonders geringen Herstellungskosten verbunden ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform, gemäß welcher die Rohrwandung des wenigstens einen inneren Rohrkörpers eine Wandstärke von ca. 0,3 mm aufweist und die Rippen eine quer zur Schmalseite gemessene Wandstärke aufweisen, die kleiner ist als die Wandstärke der Rohrwandung.
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Besonders bevorzugt ist die rippenartige Struktur integral an der Rohrwandung des inneren Rohrkörpers ausgeformt. Auch mittels dieser Maßnahme können die Fertigungskosten für die inneren Rohrkörper gering gehalten werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung bilden die beiden Wärmetauscherplatten des wenigstens einen Plattenpaars im aneinander befestigten Zustand einen äußeren Rohrkörper aus, der als Flachrohr ausgebildet ist. Bei dieser Variante erstreckt sich der und sich entlang einer zweiten Längserstreckungsrichtung erstreckt, die bevorzugt quer zur ersten Längserstreckungsrichtung verläuft. Dies ermöglicht eine dem Kreuzstrom-Prinzip folgende Realisierung des Wärmetauschers, bei welcher das erste Fluid den Wärmetauscher während des Wärmeaustauschs mit dem zweiten Fluid quer, also im Kreuzstrom, zum zweiten Fluid durchströmt.
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Zweckmäßig weist der äußere Rohrkörper einen Fluideinlass zum Einleiten des ersten Fluids in den äußeren Rohrkörper und einen Fluidauslass zum Ausleiten des ersten Fluids aus dem äußeren Rohrkörper auf, die einander in der zweiten Längserstreckungsrichtung gegenüberliegen. Der zum Einleiten in die äußeren Rohrkörper bzw. zum Ausleiten aus den äußeren Rohrkörpern benötigte Bauraum kann bei dieser Ausführungsform gering gehalten werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Wärmetauscher einen Fluidverteiler auf, welcher fluidisch mit den Fluideinlässen der äußeren Rohrkörper verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich weist der Wärmetauscher bei dieser Variante einen Fluidsammler auf, der fluidisch mit den Fluidauslässen der äußeren Rohrkörper verbunden ist. Dabei sind der Fluidverteiler und/oder der Fluidsammler als Flachrohr ausgebildet, welches in dem Querschnitt senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten aufweist und orthogonal zu den inneren Rohrkörpern angeordnet ist. Die Bereitstellung separater Fluidleitungen zum Verteilen des ersten Fluids auf die einzelnen äußeren Rohrkörper sowie zum Sammeln aus den äußeren Rohrkörpern kann bei dieser Variante entfallen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem voranstehend vorgestellten Wärmetauscher. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Wärmetauschers übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 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 eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 in einem Querschnitt,
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2 einen einzelnen inneren Rohrkörper des Wärmetauschers in einer perspektivischen Darstellung,
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3 den Rohrkörper der 2 in einem Querschnitt,
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4 den Rohrkörper der 2 in einer Seitenansicht.
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1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 in einem Querschnitt. Der Wärmetauscher 1 umfasst im Szenario der 1 exemplarisch fünf Plattenpaare 2, welche jeweils eine erste Wärmetauscherplatte 3a und eine zweite Wärmetauscherplatte 3b aufweisen. Die beiden Wärmetauscherplatten 3a, 3b sind vorzugsweise mittels einer Löt- oder Schweißverbindung aneinander befestigt. In einem solchen, aneinander befestigten Zustand begrenzen die beiden Wärmetauscherplatten 3a, 3b eines jeden Plattenpaars 2 einen jeweiligen ersten Fluidpfad 4 zum Durchströmen mit einem ersten Fluid F1.
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Wie 1 erkennen lässt, sind in jedem ersten Fluidpfad 4 mehrere innere Rohrkörper 5 – im Beispiel der 1 exemplarisch jeweils vier innere Rohrkörper 5 – angeordnet, deren jeweilige Rohrwandung 7 jeweils einen zweiten Fluidpfad 6 zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid F2 – und zwar fluidisch getrennt zum ersten Fluid F1 – begrenzen. In diesem Szenario strömt also das zweite Fluid F2 durch den vom inneren Rohrkörper 5 begrenzten zweiten Fluidpfad F2 und das erste Fluid F1 durch den von den inneren Rohrkörpern 5 und dem Plattenpaar 2 begrenzten Zwischenraum 23.
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Die inneren Rohrkörper 5 sind als Flachrohre 10 ausgebildet, welche sich entlang einer ersten Längserstreckungsrichtung L1 erstrecken. In einem Querschnitt senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung L1 weisen die inneren Rohrkörper 5 bzw. die Flachrohre 10 jeweils zwei Schmalseiten 11 und zwei Breitseiten 12 auf.
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Zur Verdeutlichung zeigt 2 einen einzelnen inneren Rohrkörper 5 bzw. ein einzelnes Flachrohr 10 in einer perspektivischen Darstellung, die 3 in dem Querschnitt senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung L1, und die 4 in einer Seitenansicht entlang der ersten Längserstreckungsrichtung L1.
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Den 2 bis 4 entnimmt man, dass an den Außenseiten 8 der Rohrwandungen 7 jeweils eine rippenartige Struktur 9 angeordnet ist, und zwar im Querschnitt senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung L1 an den beiden einander gegenüberliegenden Breitseiten 12 der Rohrwandung 7 des jeweiligen inneren Rohrkörpers 5. Jede der beiden rippenartigen Strukturen 9 weist eine Mehrzahl von Rippen 13 auf, die von der Außenseite 8 der Rohrwandung 7 nach außen abstehen und in der Art von Fortsätzen der Rohrwandung 7 ausgebildet sind. Bevorzugt ist die rippenartige Struktur 9 integral an der Rohrwandung 7 des inneren Rohrkörpers 5 ausgeformt. Im Querschnitt der 3 senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung L1 erstrecken sich die einzelnen Rippen 13 jeweils in Richtung der beiden Breitseiten 12.
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In der Seitenansicht der 4 sind die Rippen 13 entlang der ersten Längserstreckungsrichtung L1 äquidistant zueinander angeordnet und stehen rechtwinklig von der jeweiligen Rohrwandung 7 ab. Die inneren Rohrkörper 5, also die Flachrohre 10, sind vorzugsweise aus Stahl, besonders bevorzugt aus Edelstahl hergestellt.
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Die Rohrwandung 7 der inneren Rohrkörper 5, also der Flachrohre 10, weist jeweils eine Wandstärke von ca. 0,3 mm auf. Die Rippen 13 weisen eine quer zur Schmalseite 21 gemessene Wandstärke auf, die kleiner ist als die Wandstärke der Rohrwandung 7.
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Betrachtet man nun wieder die Darstellung der 1, so erkennt man, dass die beiden Wärmetauscherplatten 3a, 3b der Plattenpaare 2 im aneinander befestigten Zustand einen jeweiligen äußeren Rohrkörper 14 bilden, der ebenso wie die inneren Rohrkörper 5 als Flachrohr 14 ausgebildet ist. Der äußere Rohrkörper 14 bzw. das Flachrohr 15 erstreckt sich entlang einer zweiten Längserstreckungsrichtung 12, die quer zur ersten Längserstreckungsrichtung L1 verläuft. Jeder der äußeren Rohrkörper 14 weist einen Einlass 16 zum Einleiten des ersten Fluids F1 in den äußeren Rohrkörper 14 und einen Auslass 17 zum Ausleiten des ersten Fluids F1 aus dem äußeren Rohrkörper 14 auf, nachdem dieses den äußeren Rohrkörper 14 durchströmt hat. Bevorzugt liegen der Fluideinlass 16 und der Fluidauslass 17 einander in der zweiten Längserstreckungsrichtung 12 gegenüber.
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Entsprechend 1 weist der Wärmetauscher 1 einen Fluidverteiler 18 auf, welcher fluidisch mit den Fluideinlässen 16 der äußeren Rohrkörper 14 verbunden ist. Weiterhin weist der Wärmetauscher 1 einen Fluidsammler 19 auf, der fluidisch mit den Fluidauslässen der äußeren Rohrkörper 14 verbunden ist. Der Fluidverteiler 18 und der Fluidsammler 19 erstrecken sich entlang einer dritten Längserstreckungsrichtung 13, die senkrecht sowohl zur ersten Längserstreckungsrichtung L1 als auch zur zweiten Längserstreckungsrichtung 12 verläuft. Sowohl der Fluidverteiler 18 als auch der Fluidsammler 19 sind jeweils als Flachrohr 20 ausgebildet. Im Querschnitt senkrecht zur ersten Längserstreckungsrichtung L1 weisen die beiden Flachrohre 20 jeweils zwei einander gegenüberliegende Schmalseiten 21 und jeweils zwei einander gegenüberliegende Breitseiten 22 auf und sind jeweils orthogonal zu den inneren Rohrkörpern 5 angeordnet.
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Die Ein- und Ausleitung des zweiten Fluids F2 in die inneren Rohrkörper 5 bzw. aus den inneren Rohrkörpern 5 kann mit Hilfe geeigneter, an den inneren Rohrkörpern 5 bzgl. der zweiten Längserstreckungsrichtung 12 einander gegenüberliegender Ein- und Auslässen erfolgen (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt). Es ist klar, dass an den äußeren Rohrkörpern 14 entsprechende Durchbrüche (nicht gezeigt) vorgesehen sein können, um das zweite Fluid F2 in die inneren Rohrkörper 5 einleiten zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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