DE102017101142A1

DE102017101142A1 - Wärmetauscher bzw. Wärmetauscheranordnung für eine Kühleinrichtung und eine Kühleinrichtung mit einem solchen Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102017101142A1
Application number: DE102017101142.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Frei; Johann Schöpf; Saimen Ackermann; Otto Altmann
Original assignee: Kunststoff Schwanden AG
Current assignee: Kunststoff Schwanden AG
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-07-26

Abstract

Ein Wärmetauscher (1) wird in einer Kühleinrichtung (50) in einem Fahrzeug (40) eingesetzt. Er umfasst einen Wärmetauscherrahmen (2) und zumindest einen Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) und zumindest einen Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b), die am Wärmetauscherrahmen angeordnet (2) sind. Der zumindest eine Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) und der zumindest eine Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) sind über zumindest einen, im Wärmetauscherrahmen (2) verlaufenden, Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) miteinander verbunden. Der zumindest eine Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) umfasst mehrere Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) mit mehreren zugehörigen Segmenten (7a, 7b). Die Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) sind über Umlenkabschnitte (8a, 8b) zu dem durchgehenden mäanderförmig verlaufenden zumindest einen Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) verbunden, worüber ein Kühlmittel, welches am Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) eingespeist wird am Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) austritt. Aufeinanderfolgende Segmente (7a, 7b) der Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) laufen zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des Kühlmittels unter einem Winkel (β) aufeinander zu.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher bzw. eine Wärmetauscheranordnung für eine Kühleinrichtung und eine Kühleinrichtung mit einem solchen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen wie Autos und Lastwagen eingesetzt, um eine Kühlung von Verbrennungsmotoren oder von Energiespeichern wie Akkus bzw. Hoch-Volt-Batterien in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sicherzustellen. Der Wärmetauscher ist insbesondere als selbsttragender Voll-Kunststoff-Wärmetauscher ausgebildet. Ein Einsatz in Computern wäre ebenso denkbar wie in Schiffen und Flugzeugen.
Wärmetauscher arbeiten dabei nach dem Prinzip, dass ein Kühlmittel-Kanal von einem Kühlmittel durchflossen wird, wobei Wärmeenergie von einer Wärmequelle in das Kühlmittel abgegeben wird. Umgekehrt können derartige Kühlmittel-Kanäle, durch die das Kühlmittel fließt, einem Luftstrom (z. B. Fahrtwind) ausgesetzt sein, so dass Wärmeenergie, die in dem Kühlmittel enthalten ist, an den Luftstrom abgeführt werden kann. Solche Wärmetauscher sind beispielsweise Verbrennungsmotoren vorgeschaltet und meistens im vorderen Bereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet.
Aus der DE 20 2004 020 899 U1 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt, der eine Vielzahl von parallel angeordneten Kühlmittel-Kanälen aufweist, die in einer Zick-Zack-Führung angeordnet sind.
Nachteilig an der DE 20 2004 020 899 U1 ist die fehlende Kontrolle über den Volumenstrom des Kühlmittels, der durch den jeweiligen Kühlmittel-Kanal fließt. So ist nicht sichergestellt, dass die Bildung von lokalen „Hotspots“ unterbleibt. Weiterhin ist das Strömungsverhalten des Kühlmittels nicht optimal.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher bzw. eine Wärmetauscheranordnung für eine Kühleinrichtung und eine entsprechende Kühleinrichtung selbst zu schaffen, bei denen eine möglichst homogene Kühlung erreicht werden kann und bei denen möglichst viel Wärme abgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird bezüglich des erfindungsgemäßen Wärmetauschers durch den unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Der Anspruch 16 beschreibt eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung, wohingegen der Anspruch 18 eine Kühleinrichtung erläutert. In den Ansprüchen 2 bis 15 sind erfindungsgemäße Weiterbildungen des Wärmetauschers beschrieben, wohingegen der Anspruch 17 eine Weiterbildung der Wärmetauscheranordnung erläutert und wobei die Ansprüche 19 bis 24 Weiterbildungen der Kühleinrichtung beschreiben.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist vorzugsweise in einer Kühleinrichtung eingesetzt, die beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet werden kann. Der Wärmetauscher kann allerdings auch in Haushaltsgeräten wie Computern und anderen Systeme eingesetzt werden. Der Wärmetauscher umfasst einen Wärmetauscherrahmen, an dem zumindest ein Kühlmittel-Einlass und zumindest ein Kühlmittel-Auslass angeordnet sind. Der zumindest eine Kühlmittel-Einlass und der zumindest eine Kühlmittel-Auslass sind über zumindest einen, im Wärmetauscherrahmen verlaufenden Kühlmittel-Kanal, miteinander verbunden. Der Kühlmittel-Kanal umfasst mehrere Turbulenz-Kanal-Abschnitte mit mehreren zugehörigen Segmenten. Dies bedeutet, dass jeder Turbulenz-Kanal-Abschnitt aus mehreren Segmenten aufgebaut ist bzw. in mehrere Segmente gegliedert ist. Die Turbulenz-Kanal-Abschnitte sind dabei über Umlenkabschnitte (die beispielsweise kurven- oder kreisförmig gestaltet sind) zu dem durchgehenden bzw. durchgängigen mäanderförmig verlaufenden Kühlmittel-Kanal verbunden. Ein Kühlmittel, welches am Kühlmittel-Einlass eingespeist wird, kann daher ausschließlich am Kühlmittel-Auslass wieder austreten. Aufeinanderfolgende Segmente der Turbulenz-Kanal-Abschnitte laufen zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des Kühlmittels unter einem Winkel aufeinander zu.
Es ist besonders vorteilhaft, dass der Kühlmittel-Kanal mäanderförmig verläuft, weil dadurch eine größere Fläche erzielt werden kann, die zur Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme dient und weil die Menge des Kühlmittels, die durch den zumindest einen Kühlmittel-Kanal fließt, genau eingestellt werden kann. Weiterhin ist es besonders bedeutsam, dass die einzelnen Segmente unter einem Winkel aufeinanderzulaufen. Dadurch entsteht eine turbulente Strömung, wodurch das Kühlmittel vorzugsweise über die gesamte Breite des Kühlmittel-Kanals in Bewegung ist. Dies bedeutet, dass das Kühlmittel vorzugsweise nicht nur in der Mitte des Kühlmittel-Kanals mit einer einstellbaren Geschwindigkeit strömt, sondern auch am Rand des Kühlmittel-Kanals, so dass Wärmeenergie, die in die entsprechende Wandung des Kühlmittel-Kanals eingespeist wird, sehr effizient dem Kühlmittel zugeführt und durch dessen Bewegung abgeführt werden kann. Umgekehrt kann auch Wärmeenergie, die im Kühlmittel vorhanden ist, sehr effizient an die Wandung des Kühlmittel-Kanals übertragen werden und von dort, beispielsweise durch eine Luftströmung, abgeführt werden. Derartige Wärmetauscher können, verglichen mit konventionellen Wärmetauschern, bei gleicher Wärmeabfuhrmenge kompakter aufgebaut werden bzw. kann bei gleicher Größe mehr Wärme abführen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Wärmetauschers beträgt der Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Segmenten β = 180° - 2·α, wobei α vorzugsweise im Bereich zwischen 10° und 20° liegt und weiter vorzugsweise 15° entspricht. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Wärmetauscher kompakt aufgebaut ist bzw. durch einen Luftstrom gekühlt werden soll. Für den Fall, dass der Wärmetauscher größer ist und insbesondere im Fahrzeugboden als Plattenwärmetauscher arbeitet, kann α auch zwischen 30° ± 10° liegen.
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmetauschers sind einige oder alle Turbulenz-Kanal-Abschnitte innerhalb des Wärmetauscherrahmens gleich ausgerichtet und/ oder liegen in derselben Ebene. Insbesondere können dabei die einzelnen Segmente eines Turbulenz-Kanal-Abschnitts parallel zu Segmenten eines benachbarten Turbulenz-Kanal-Abschnitts angeordnet sein. Dadurch wird ein reproduzierbares und sicheres Strömungsverhalten in den Turbulenz-Kanal-Abschnitten erreicht, so dass keine lokalen „Hotspots“ entstehen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher mehrere getrennt verlaufende Kühlmittel-Kanäle, die an separaten Kühlmittel-Einlässen und an separaten Kühlmittel-Auslässen angeschlossen sind. Grundsätzlich könnten diese auch an einem gemeinsamen Kühlmittel-Einlass und einem gemeinsamen Kühlmittel-Auslass angeschlossen sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher selbsttragend ausgeführt und besteht aus oder umfasst Kunststoff. Vorzugsweise besteht er ausschließlich aus Kunststoff. Er könnte allerdings auch noch über Inlays aus Metall bzw. einer Metalllegierung verfügen, die beispielsweise eingepresst oder von dem Kunststoff umspritzt werden könnten.
In einer anderen Ausführungsform ist der Wärmetauscher als luftgekühlter Wärmetauscher, also als wärmeabgebender Wärmetauscher ausgebildet, wobei zwischen zwei benachbarten Turbulenz-Kanal-Abschnitten ein freier luftdurchströmbarer Abstandsraum gebildet ist. Durch diesen Abstandsraum kann ein Luftstrom durchströmen, wodurch der Wärmetauscher Wärmeenergie an den Luftstrom abgibt.
Andererseits kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher auch als Wärmesenke, also als wärmeaufnehmender Wärmetauscher ausgebildet sein. Vorzugsweise ist in diesem Fall der Kühlmittel-Kanal in einem plattenförmigen Kühlkörper angeordnet, wobei zumindest eine Oberfläche, vorzugsweise zwei gegenüberliegende Oberflächen des plattenförmigen Kühlkörpers eine Kontaktfläche bildet, um Wärmeenergie aufzunehmen und an das Kühlmittel im Inneren abzugeben.
Der Kühlmittel-Kanal könnte in diesem Fall von einem Füllmaterial umgeben oder begrenzt sein, wobei dieses Füllmaterial den plattenförmigen Kühlkörper bildet bzw. für dessen Formgebung zuständig ist. Die Kontaktfläche ist dabei durch das Füllmaterial gebildet.
Auf dem Füllmaterial könnte auch noch eine Metallschicht angeordnet bzw. aufgebracht sein (z.B. durch Aufdampfen bzw. Sputtern bzw. Schrauben oder Kleben), die dann die Kontaktfläche bildet.
Das Füllmaterial könnte beispielsweise aus Kunststoff bestehen. Es wäre auch möglich, dass in die Kunststoff-Matrix noch Werkstoffe wie Kupfer, Aluminium und/oder Stahl, also allgemein gut wärmeleitende Materialien eingebracht oder compoundiert sind. Diese Werkstoffe, die in die Kunststoff-Matrix eingebracht werden können, sollten mehr als 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, aber weniger als 90%, 75%, 65%, 55%, 45%, 35%, 25%, 15% der Gesamtmasse bzw. des Gesamtvolumens ausmachen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Wärmetauscher auch aus zwei Platten aufgebaut sein, in die jeweils ein Teil des Kühlmittel-Kanals, vorzugsweise der halbe Kühlmittel-Kanal eingearbeitet (z.B. eingefräst) ist, wobei beide Platten in Anschluss daran kraft- und/oder stoffschlüssig unter Bildung des plattenförmigen Kühlkörpers miteinander verbunden werden, wodurch der vollständige Kühlmittel-Kanal entsteht. Dabei muss nicht in jede Platte der halbe (geschnittene) Kühlmittel-Kanal eingebracht werden. Es könnte auch sein, dass eine Platte dicker ist, so dass in diese Platte 80% des Volumens des Kühlmittel-Kanals eingebracht wird. Insgesamt wird in jede Platte daher ein Teil des Kühlmittel-Kanals eingebracht bzw. jeweils ein Teil ist in diesen Platten ausgebildet, wobei erst beide Teile zusammen den gesamten, also vollständigen Kühlmittel-Kanal ergeben.
In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmetauscher noch zumindest eine Deckplatte und zumindest eine Bodenplatte, die zusammen mit dem Wärmetauscherrahmen den plattenförmigen Kühlkörper bilden und dabei den Wärmetauscherrahmen, sowie den darin befindlichen Kühlmittel-Kanal verschließen. Dies bedeutet, dass die zumindest eine Deckplatte und die zumindest eine Bodenplatte in Kontakt mit dem Kühlmittel gelangen und den Kühlmittel-Kanal begrenzen. Weitere Trennwände, die sich von der Deckplatte in Richtung der Bodenplatte erstrecken, dienen ebenfalls der weiteren Begrenzung des Kühlmittel-Kanals.
Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass der Wärmetauscher an seinen Außenflächen, also an denjenigen Oberflächen, die nicht die Kontaktfläche bilden, eine thermisch isolierende Schicht aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Übertragung von Wärmeenergie lediglich über die Kontaktflächen möglich ist.
Die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung besteht lediglich aus einer Vielzahl von Wärmetauschern, bei denen der Kühlmittel-Kanal in einem plattenförmigen Kühlkörper angeordnet ist und bei denen zumindest eine Kontaktfläche ausgebildet ist, um Wärmeenergie aufzunehmen und an das Kühlmittel abzugeben. Diese mehreren Wärmetauscher sind dabei gestapelt bzw. sandwichartig derart nebeneinander hochkant angeordnet, dass sich ihre Kontaktflächen berühren. Dies bedeutet, dass die Kontaktfläche eines Wärmetauschers parallel zur Kontaktfläche eines anderen Wärmetauschers angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Kontaktflächen eben, so dass sich ein geringer Wärmeübergangswiderstand bildet. Zwischen den Kontaktflächen kann noch ein Wärmeleiter angeordnet sein (z.B. Wärmeleitpaste oder ein Kupferspacer). In diesem Fall würde man davon sprechen, dass sich die Kontaktflächen nicht unmittelbar, sondern mittelbar berühren. Weiterhin ist der zumindest eine Kühlmittel-Einlass und zumindest eine Kühlmittel-Auslass bei zwei benachbarten Wärmetauschern vertauscht, so dass diese in umgekehrter Richtung von dem Kühlmittel durchflossen werden. Dadurch arbeiten diese nach dem Gegenstrom-Prinzip, was das Entstehen von Hotspots weiter verringert.
Vorzugsweise sind bei der Wärmetauscheranordnung in Draufsicht auf die Kontaktflächen die entsprechenden Kühlmittel-Kanäle deckungsgleich oder überwiegend deckungsgleich (mehr als 50%, 60%, 70%, 80%, 90%) zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass der eine Kühlmittel-Kanal oder die mehreren Kühlmittel-Kanäle eines Wärmetauschers deckungsgleich zu dem einen Kühlmittel-Kanal bzw. den mehreren Kühlmittel-Kanälen des benachbarten Wärmetauschers angeordnet sind. Die mehreren Wärmetauscher können beispielsweise miteinander verschraubt und/oder verklebt und/oder verschweißt werden. Es kann sich dabei um eine lösbare oder unlösbare Verbindung handeln.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung wird vorzugsweise in einem Fahrzeug eingesetzt und umfasst einen Wärmetauscher wie er eingangs beschrieben worden ist. Dabei werden der zumindest eine Kühlmittel-Einlass und der zumindest eine Kühlmittel-Auslass an zumindest einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen. Vorzugsweise gibt es für jeden Kühlmittel-Einlass und für jeden Kühlmittel-Auslass einen eigenen Kühlmittel-Kreislauf. In jedem Kühlmittel-Kreislauf ist zudem zumindest eine (Impuls-)Pumpe angeordnet, die ein Kühlmittel durch den Kühlmittel-Kreislauf pumpt. Vorzugsweise werden allerdings aus Redundanzgründen zwei Pumpen (in Serie oder parallel) angeordnet. Diese Pumpen sind insbesondere als Impulspumpen aufgebaut, weil es dadurch möglich ist, dass auf besonders zuverlässige Weise eine turbulente Strömung innerhalb der Turbulenz-Kanal-Abschnitte erzeugt werden kann und Fließwiderstände überwunden werden können.
Diese Pumpen umfassen nur wenige Pumpenflügel. Vorzugsweise umfassen diese lediglich zwei oder lediglich einen Pumpenflügel. Dadurch ist ein energiesparender Betrieb möglich.
Weiterhin umfasst die Kühleinrichtung noch einen Kühlmittelbehälter, der mit einem Druckverschlussdeckel verschlossen ist. Der Kühlmittelbehälter ist dabei an dem Kühlmittel-Kreislauf angeschlossen und umfasst noch ein zusätzliches Überdruckventil, über das ein Abbau eines Überdrucks im Kühlmittelbehälter bzw. Kühlmittel-Kreislauf erfolgen kann. Ein solcher Druckaufbau erfolgt insbesondere dann, wenn der Druckverschlussdeckel geöffnet, also gedreht wird. Dabei ist das Überdruckventil mit seiner Austrittsöffnung derart am Kühlmittelbehälter angeordnet, dass die Austrittsöffnung von dem Druckverschlussdeckel weg zeigt. Dadurch ist sichergestellt, dass Personen, die den Druckverschlussdeckel aufdrehen, nicht durch das heiße Kühlmittel, welches durch das Überdruckventil austreten kann, verletzt werden.
Die Kühleinrichtung umfasst außerdem noch eine Steuereinrichtung und eine Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, Messdaten an die Steuereinrichtung zu übertragen (vorzugsweise berührungslos, beispielsweise über Bluetooth®, bzw. Bluetooth Low Energy oder WLAN). Bei der Bluetooth®-Verbindung handelt es sich vorzugsweise um eine solche gemäß IEEE 802.15.* (z.B. 1,2,...) . Bei der WLAN-Verbindung handelt es sich um eine solche gemäß IEEE 802.11* (z.B. a,b,...). Andere drahtlose Verbindungen können ebenfalls eingesetzt werden. Die Sensoreinrichtung umfasst dabei mehrere Sensoren aus der Gruppe der Temperatursensoren, Vibrationssensoren, Drucksensoren, Konzentrationsmesssensoren, Durchflusssensoren und Drehzahlmesssensoren, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand der empfangenen Messdaten die zumindest eine Pumpe oder die beiden Pumpen anzusteuern bzw. die Drehzahl eines Lüfters zu regeln. Diese Sensoren können in ihrem Gehäuse bereits die notwenigen Antennen beinhalten. Sie können auch mit einem externen Kommunikationschip verbunden sein, über den die drahtlose Kommunikation erfolgt. Die Temperatursensoren messen dabei vorzugsweise die Temperatur des Kühlmittels bzw. des Verbrennungsmotors (z.B. Öltemperatur). Vibrationssensoren messen Beschleunigungskräfte in einer, zwei oder drei Raumrichtungen. Drucksensoren können den Druck im Kühlmittel-Kreislauf ermitteln, wohingegen Durchflussmesssensoren ein Volumen pro Zeiteinheit messen, welches durch den Kühlmittel-Kanal fließt. Konzentrationsmesssensoren können beispielsweise den prozentualen Anteil eines Frostschutzmittels innerhalb des Kühlmittels erfassen. Drehzahlsensoren können beispielsweise die Drehzahl eines Lüfters oder einer Pumpe ermitteln. Die Steuereinrichtung kann mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden sein, um im Fehlerfall eine entsprechende Warnmeldung optisch auszugeben. Eine akustische Ausgabe ist auch möglich.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Kühleinrichtung einen luftgekühlten Wärmetauscher umfassen, wie er eingangs beschrieben worden ist. Weiterhin kann die Kühleinrichtung zumindest einen weiteren Wärmetauscher, der als Wärmesenke ausgebildet ist bzw. eine Wärmetauscheranordnung umfassen. Dabei ist der zumindest eine Kühlmittel-Auslass des luftgekühlten Wärmetauschers mit dem Kühlmittel-Einlass des zumindest einen weiteren Wärmetauschers oder mit den Kühlmittel-Einlässen der Wärmetauscher in der Wärmetauscheranordnung verbunden. Der zumindest eine Kühlmittel-Einlass des luftgekühlten Wärmetauschers ist dagegen mit dem Kühlmittel-Auslass des zumindest einen weiteren Wärmetauschers (der als Wärmesenke arbeitet) oder mit den Kühlmittel-Auslässen der Wärmetauscher (die als Wärmesenke arbeiten) in der Wärmetauscheranordnung verbunden. Die zumindest eine Kontaktfläche des zumindest einen weiteren Wärmetauschers steht dabei in thermischem Kontakt zu zumindest einem Akku, insbesondere in Form einer Hoch-Volt-Batterie, bzw. ein solcher Akku, auch Energiespeicher genannt, ist zwischen zwei Wärmetauschern der Wärmetauscheranordnung einbringbar, so dass dieser Akku in thermischen Kontakt zu zwei Kontaktflächen steht. Dadurch kann auf sehr einfache Weise der Akku (eines Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugs) gekühlt werden, wodurch eine Beschädigung oder Degradierung der Leistung vermieden wird.
Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass die zumindest eine Wärmetauscheranordnung auf der Kontaktfläche des zumindest einen weiteren Wärmetauschers angeordnet ist. Dadurch entsteht eine zusätzliche Redundanz. Vorzugsweise liegt in diesem Fall der zumindest eine Kühlmittel-Kanal eines Wärmetauschers der zumindest einen Wärmetauscheranordnung in einer Ebene, die senkrecht oder überwiegend senkrecht zu einer Ebene verläuft, in der der zumindest eine Kühlmittel-Kanal des zumindest einen weiteren Wärmetauschers liegt.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Gleiche Gegenstände weisen dieselben Bezugszeichen auf. Die entsprechenden Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:

1: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher und seinen mäanderförmig verlaufenden Kühlmittel-Kanal;
2: einen Längsschnitt durch einen Teil eines Kühlmittel-Kanals, um das Entstehen einer turbulenten Strömung zu erläutern;
3 und 4: verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in räumlicher Ansicht;
5: ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Pumpendrehzahl und Impulsen beschreibt;
6A, 6B: verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in räumlicher Ansicht mit einem oder zwei Kühlmittel-Kanälen;
6C, 6D: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung, die aus mehreren Wärmetauschern (wie in den 6A und 6B beschrieben) besteht, die gestapelt angeordnet sind (Sandwich-Aufbau);
7A, 7B: ein Ausführungsbeispiel, wie der erfindungsgemäße Wärmetauscher aus zwei getrennten Platten hergestellt werden kann, die miteinander verbunden werden;
8: eine räumliche Darstellung, die angibt, wie der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit einem Verbrennungsmotor zusammenwirkt; und
9A bis 9E: verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, die mehrere Wärmetauscher umfasst, die durch unterschiedliche Schaltungstopologien miteinander verbunden sind.

1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1. Der Wärmetauscher 1 umfasst einen Wärmetauscherrahmen 2 und zumindest einen Kühlmittel-Einlass 3 und einen Kühlmittel-Auslass 4. Innerhalb des Wärmetauscherrahmens 2 verläuft ein Kühlmittel-Kanal 5, der den zumindest einen Kühlmittel-Einlass 3 mit dem zumindest einen Kühlmittel-Auslass 4 verbindet. Der Kühlmittel-Kanal 5 kann rohrförmig sein. Ein Kühlmittel, welches dem zumindest einen Kühlmittel-Einlass 3 zugeführt wird, tritt nach durchlaufen des Kühlmittel-Kanals 5 an dem zumindest einen Kühlmittel-Auslass 4 aus.
Der zumindest eine Kühlmittel-Kanal 5 setzt sich aus mehreren Turbulenz-Kanal-Abschnitten 6a, 6b zusammen, wobei jeder Turbulenz-Kanal-Abschnitt 6a, 6b in mehrere Segmente 7a, 7b, 7c gegliedert ist. Die Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b sind über Umlenkabschnitte 8a, 8b zu dem durchgängigen und mäanderförmig verlaufenden Kühlmittel-Kanal 5 verbunden. Die Umlenkabschnitte 8a, 8b verlaufen vorzugsweise kurven- oder kreisförmig.
Benachbarte Segmente 7a, 7b, 7c der Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b laufen zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des Kühlmittels unter einem Winkel aufeinander zu. Der Winkel beträgt 180° - 2·α. In diesem Fall wird α zwischen 15° ± 5° gewählt.
Zwei benachbarte Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b sind vorzugsweise um mehr als 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 40 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm und weiter vorzugsweise um weniger als 200 mm, 150 mm, 100 mm, 70 mm, 50 mm oder 30 mm voneinander beabstandet.
Vorzugsweise erstreckt sich ein Turbulenz-Kanal-Abschnitt 6a, 6b über die gesamte Länge L oder Breite des Wärmetauscherrahmens 2. Weiter vorzugsweise sind die Umlenkabschnitte 8a, 8b an dem Wärmetauscherrahmen 2 (stoffschlüssig) befestigt.
Ein Turbulenz-Kanal-Abschnitt 6a, 6b ist vorzugsweise länger als 10 cm, 20 cm, 30 cm, 50 cm, 70 cm, 90 cm, 120 cm, 150 cm, 170 cm, 190 cm, 220 cm oder 250 cm und/oder kleiner als 300 cm, 270 cm, 250 cm, 230 cm, 210 cm, 180 cm, 140 cm, 110 cm, 80 cm, 60 cm, 40 cm oder 25 cm.
Der Turbulenz-Kanal-Abschnitt 6a, 6b hat eine Querschnittsform, die vorzugsweise einem Kreis oder einem Oval oder einem n-Eck (mit n > 4) entspricht oder einem solchen angenähert ist. Der Turbulenz-Kanal-Abschnitt 6a, 6b hat beispielsweise eine Höhe oder einen Durchmesser, der größer ist als 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 15 mm oder 17 mm und der vorzugsweise kleiner ist als 20 mm, 18 mm, 14 mm, 14 mm, 11 mm, 9 mm oder 7 mm. Die Querschnittsform kann über die gesamte Länge des Turbulenz-Kanal-Abschnitts 6a, 6b konstant sein oder abschnittsweise variieren.
Da sich ein Turbulenz-Kanal-Abschnitt 6a, 6b aus mehreren Segmenten 7a, 7b, 7c zusammensetzt, sind die einzelnen Segmente 7a, 7b, 7c kleiner als der Turbulenz-Kanal-Abschnitt. Sie sind vorzugsweise länger als 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm oder 40 cm und vorzugsweise kleiner als 50 cm, 40 cm, 35 cm, 30 cm, 25 cm, 20 cm, 15 cm, 12 cm, 10 cm oder 7 cm. Die einzelnen Segmente 7a, 7b, 7c verlaufen vorzugsweise gerade und sind unverwinkelt.
Der gesamte Kühlmittel-Kanal 5 ist vorzugsweise einteilig und weiter vorzugsweise nahtfrei hergestellt.
In 1 sind alle Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b innerhalb des Wärmetauscherrahmens 2 gleich ausgerichtet und liegen in derselben Ebene. Sie verlaufen von einer ersten Rahmenseite 2a des Wärmetauscherrahmens 2 zu einer gegenüberliegenden Rahmenseite 2b des Wärmetauscherrahmens 2. Die einzelnen Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b sind parallel zueinander ausgerichtet. Es könnte auch sein, dass die einzelnen Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b lediglich teilweise, also nur über eine bestimmte Länge, parallel zueinander ausgerichtet sind. In dem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Segmente 7a, 7b, 7c eines Turbulenz-Kanal-Abschnitts 6a, 6b parallel zu Segmenten 7a, 7b, 7c eines benachbarten Turbulenz-Kanal-Abschnitts 6a, 6b angeordnet. Einige oder alle der Segmente 7a, 7b, 7c sind vorzugsweise gleich lang.
In dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist der Kühlmittel-Einlass 3 und der Kühlmittel-Auslass 4 an derselben Rahmenseite 2a des Wärmetauscherrahmens 2 angeordnet. Sie könnten allerdings auch an unterschiedlichen Rahmenseiten 2a, 2b angeordnet sein, die vorzugsweise gegenüberliegen. Sie können allerdings auch an Rahmenseiten anliegen, die aneinander angrenzen.
Der gezeigte Wärmetauscher 1 ist durch die Struktur selbsttragend und besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff oder umfasst einen solchen Kunststoff. Dies gilt sowohl für den Kühlmittel-Kanal 5 als auch für den Wärmetauscherrahmen 2.
In dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist der Wärmetauscher 1 als luftgekühlter Wärmetauscher 1 ausgebildet. Dies bedeutet, dass zwischen zwei benachbarten Turbulenz-Kanal-Abschnitten 6a, 6b ein freier Abstandsraum 9 gebildet ist, der von Luft, insbesondere dem Fahrtwind durchströmbar ist. Der luftgekühlte Wärmetauscher 1 kann daher Wärmeenergie, die im Kühlmittel enthalten ist, an den Luftstrom abgeben, der durch den freien Abstandsraum 9 bläst. Vorzugsweise befindet sich innerhalb des Wärmetauscherrahmens 2 lediglich der zumindest eine Kühlmittel-Kanal 5, der sich aus den Turbulenz-Kanal-Abschnitten 6a, 6b und den Umlenkabschnitten 8a, 8b zusammensetzt.
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil eines Kühlmittel-Kanals 5, insbesondere durch einen Teil eines Turbulenz-Kanal-Abschnitts 6a, 6b, der den Übergang von einem Segment 7a zum benachbarten Segment 7b erläutert. Um eine gute Wärmeabfuhr gewährleisten zu können, müssen die Strömungs-Kennwerte (S) entsprechend hoch sein, denn es gilt Q = k·A·ΔT. Genauer gesagt bestimmen sich die einzelnen Faktoren wie folgt: Q = k (S, M, S) ·A(S) · ΔT, wobei Q die abführbare Wärmemenge und M die Materialeigenschaft darstellt und A der Querschnittsfläche des Rohrs entspricht. Zu erkennen ist, dass die Strömungs-Kennwerte (S) die einzelnen Faktoren zum Teil mehrfach bestimmen bzw. dominieren. Die abführbare Wärmemenge Q wird daher von den Strömungs-Kennwerten (S) bestimmt. Aus diesem Grund wurde der Kühlmittel-Kanal 5 mit seinen Turbulenz-Kanal-Abschnitten 6a, 6b derart gestaltet, dass sich eine Turbulenzströmung 10 einstellt. Eine solche Turbulenzströmung 10 ist in 2 eingezeichnet. Dargestellt ist, dass insbesondere auch im Wandbereich hohe Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden und damit eine gute Wärmeabfuhr möglich ist. Die Reynolds-Zahl liegt bei über 2040 bzw. bei über 2300.
Der erfindungsgemäße Verlauf des Kühlmittel-Kanals 5 erlaubt theoretisch eine um bis zu 44% bessere KühlLeistung als ein herkömmlicher Wärmetauscher, der aus Metall besteht. Versuche haben ergeben, dass die KühlLeistung bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1, welcher vorzugsweise aus Kunststoff besteht, 30% besser ist als bei einem herkömmlichen Wärmetauscher, der aus Metall besteht. Dabei ist ein solcher erfindungsgemäßer Wärmetauscher 1, der aus Kunststoff besteht, günstiger herstellbar als ein herkömmlicher Wärmetauscher, der aus Metall besteht.
3 zeigt eine räumliche Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. Die einzelnen Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b sind innerhalb des Wärmetauscherrahmens 2 angeordnet und verlaufen von einer ersten Rahmenseite 2a zu einer zweiten Rahmenseite 2b. Nicht dargestellt sind in dieser Ansicht die Umlenkabschnitte 8a, 8b, wodurch sich ein mäanderförmiger Verlauf des Kühlmittel-Kanals 5 einstellt. Ein derartiger Wärmetauscher 1 kann beispielsweise unter der Motorhaube eines Fahrzeugs 40 angeordnet werden.
4 zeigt eine räumliche Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. Auch bei diesem Wärmetauscher 1 verläuft ein Kühlmittel-Kanal 5 innerhalb eines Wärmetauscherrahmens 2. Nicht dargestellt sind hier ebenfalls die Umlenkabschnitte 8a, 8b, wodurch sich ein mäanderförmiger Verlauf des Kühlmittel-Kanals 5 einstellt. Über einen Kühlmittel-Einlass 3 kann Kühlmittel hinzugeführt werden, welches über den Kühlmittel-Auslass 4 wieder austritt. Dargestellt sind ebenfalls zwei Pumpen 11a, 11b, die in demselben Kühlmittel-Kreislauf 51a, 51b (dargestellt ab 9A) angeordnet sind. Bei beiden Pumpen 11a, 11b handelt es sich vorzugsweise um Impulspumpen 11a, 11b, die in diesem Ausführungsbeispiel lediglich einen Flügel 13 aufweisen. Die Impulspumpen 11a, 11b sollen dabei möglichst wenig Flügel 13 aufweisen, insbesondere lediglich zwei oder noch weiter bevorzugt lediglich einen Flügel 13. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Pumpen 11a, 11b in Reihe geschaltet. Sie könnten auch parallel geschaltet sein. Sie sind so dimensioniert, dass das Kühlmittel noch in ausreichender Geschwindigkeit und Höhe durch den Kühlmittel-Kanal 5 strömt, wenn eine der beiden Pumpen 11a, 11b ausfällt. Derartige Impulspumpen 11a, 11b haben den Vorteil, dass sie für ihren Betrieb wenig Energie benötigen. So kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 zum Kühlen von Fahrzeugakkus 31 eingesetzt werden, wobei diese Akkus 31, also die Hoch-Volt-Batterien auch im ausgeschalteten Betrieb des Fahrzeugs 40 vor zu hohen Temperaturen geschützt werden müssen. Durch eine Impulspumpe 11a, 11b kann ein effizientes Kühlen auch bei abgestelltem Kraftfahrzeug 40 erfolgen. Im Betrieb benötigen derartige Hoch-Volt-Batterien 31 eine Kühlenergie zwischen 0,5 kW und 2 kW pro Stunde Fahrbetrieb. Sparsame Impulspumpen 11a, 11b können diese Kühlenergie unter Verwendung von besonders wenig elektrischer Energie zur Verfügung stellen. Dadurch erhöht sich die Reichweite eines rein elektrisch fahrenden Kraftfahrzeugs 40 bzw. es erniedrigt sich der Benzinverbrauch eines Kraftfahrzeugs 40 mit einem Hybridmotor.
5 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Pumpendrehzahl und Impulsen einer Impulspumpe 11a, 11b näher erläutert. Die Einflügel-Impulspumpe 11a, 11b liefert in Abhängigkeit der Pumpen-Drehzahl np (U/min) eine bestimmte Anzahl von Medien-Strömungs-Impulsen, wenn das Kühlmittel nicht zu strömungsträge ist. In diesem Fall liefert die Impulspumpe 11a, 11b pro Umdrehung einen Impuls. Durch derartige Impulse kann eine Turbulenzströmung 10 optimal angeregt werden. Durch die Impulspumpe 11a, 11b werden Strömungsimpulse im Kühlmittel erzeugt, wodurch die Fließwiderstände reduziert werden. Dadurch können die einzelnen Segmente 7a, 7b, 7c eines Turbulenz-Kanal-Abschnitts 6a, 6b unter einem Winkel aufeinander zu laufen ohne dass die Fließgeschwindigkeit zu stark abnehmen würde. Je stärker diese Impulse sind, desto kleiner kann dieser Winkel werden, also desto spitzer können die einzelnen Segmente 7a, 7b, 7c aufeinander zu laufen.
In 4 ist der Wärmetauscher 1 als Wärmesenke ausgebildet, also als wärmeaufnehmender Wärmetauscher 1. Der Kühlmittel-Kanal 5 ist in einem plattenförmigen Kühlkörper 15 angeordnet, wobei zumindest eine Oberfläche des plattenförmigen Kühlkörpers 15 eine Kontaktfläche 16 bildet, um Wärmeenergie aufzunehmen und an das Kühlmittel abzugeben. Der Wärmetauscher 1 umfasst noch zumindest eine Bodenplatte 17 und eine nicht dargestellte Deckplatte, die zusammen mit dem Wärmetauscherrahmen 2 den plattenförmigen Kühlkörper 15 bilden. Diese Platten 17 verschließen den Wärmetauscherrahmen 2, sowie den darin befindlichen Kühlmittel-Kanal 5. Weiterhin umfasst der Wärmetauscher 1 noch Zwischenwände 18, die zusammen mit der zumindest einen Deckplatte und der zumindest einen Bodenplatte 17 und dem Wärmetauscherrahmen 2 die Wände des Kühlmittel-Kanals 5 und damit die Wände der einzelnen Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b bilden. In diesem Fall hat der Kühlmittel-Kanal 5 einen rechteckförmigen Querschnitt. Ein quadratischer Querschnitt wäre ebenfalls möglich. Der Wärmetauscher 1 weist an seinen Außenflächen, mit Ausnahme der zumindest einen Kontaktfläche 16, eine thermisch isolierende Schicht 19 auf, die verhindert, dass Wärmeenergie in das Kühlmittel übergeht, die nicht über die Kontaktfläche 16 zugeführt wird. Ein derartiger als Wärmesenke ausgebildeter Wärmetauscher 1 in Form eines plattenförmigen Kühlkörpers 15 wird vorzugsweise im Bodenbereich eines Fahrzeugs 40 eingesetzt. Die Kontaktfläche 16 kann dabei in Kontakt mit einem weiteren Wärmetauscher 1 oder mit Akkus 31 bzw. Hoch-Volt-Batterien stehen.
Der Wärmetauscher 1 weist hier eine Länge auf, die vorzugsweise größer ist als 70 cm, 100 cm 150 cm, 200 cm oder 250 cm auf und die vorzugsweise kleiner ist als 350 cm, 300 cm, 250 cm oder 200 cm. Die Breite beträgt vorzugsweise mehr als 50 cm, 70 cm, 100 cm, 120 cm, 150 cm, 180 cm oder 200 cm und ist vorzugsweise kleiner als 250 cm, 220 cm, 200 cm, 180 cm, 150 cm, 130 cm, 100 cm oder 80 cm.
Über eine Anschlussbuchse 20 können die Impulspumpen 11a, 11b von einer Steuereinrichtung 60 (9E) angesteuert werden.
Der Wärmetauscherrahmen 2 besteht, wie vorzugsweise auch die Deckplatte und die Bodenplatte 17 und die Zwischenwände 18 aus Kunststoff. Er könnte allerdings auch zumindest zu Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung bestehen.
Der Winkel, unter dem zwei Segmente 7a, 7b, 7c des Wärmetauschers 1, der vorzugsweise im Bodenbereich eingesetzt wird, aufeinander zu laufen, liegt zwischen 30° ± 10°. Abweichungen hiervon sind möglich.
Die 6A und 6B zeigen verschiedene Ausführungsbeispielsweise eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 in räumlicher Ansicht. Der Wärmetauscher 1 aus 6A umfasst zwei getrennt verlaufende Kühlmittel-Kanäle 5a, 5b. Diese sind allerdings miteinander an dem gemeinsamen Kühlmittel-Einlass 3 und an dem gemeinsamen Kühlmittel-Auslass 4 verbunden. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass der Wärmetauscher 1 mehrere Kühlmittel-Einlässe 3, 3a, 3b und mehrere unterschiedliche Kühlmittel-Auslässe 4, 4a, 4b aufweist. Grundsätzlich könnte es so viele Kühlmittel-Einlässe 3, 3a, 3b und Kühlmittel-Auslässe 4, 4a, 4b geben wie Kühlmittel-Kanäle 5, 5a, 5b.
Die beiden Kühlmittel-Kanäle 5a, 5b sind unterschiedliche lang. Sie könnten allerdings auch gleich lang sein. Der Winkel β, unter dem die einzelnen Segmente 7a, 7b, 7c der einzelnen Turbulenz-Kanal-Abschnitte 6a, 6b aufeinander treffen, ist vorzugsweise innerhalb eines Kühlmittel-Kanals 5, 5a, 5b gleich bzw. weicht um weniger als 5° voneinander ab. Vorzugsweise ist dieser Winkel β für alle Kühlmittel-Kanäle 5, 5a, 5b gleich bzw. weicht um weniger als 5° voneinander ab. Die einzelnen Kühlmittel-Kanäle 5, 5a, 5b sind alle in einer Ebene angeordnet. In 6B gibt es lediglich einen Kühlmittel-Kanal 5, der eine größere Länge aufweist als die einzelnen Kühlmittel-Kanäle 5a, 5b aus 6A.
Der Wärmetauscher 1 aus den 6A und 6B kann gemäß dem Wärmetauscher 1 aus 1 aufgebaut sein, wobei in dem freien Abstandsraum 1 noch Füllmaterial 21 eingesetzt bzw. eingebracht ist. Der Kühlmittel-Kanal 5 ist daher von dem Füllmaterial 21 umgeben oder begrenzt, wobei das Füllmaterial 21 derart angeordnet bzw. ausgeformt ist, dass der Wärmetauscher 1 einen plattenförmigen Kühlkörper 15 aufweist, wobei das Füllmaterial 21 die Kontaktfläche 16 bildet.
Das Füllmaterial 21 besteht vorzugsweise aus Kunststoff (Polymere). Es ist auch möglich, dass das Füllmaterial 21 aus Kunststoff (Polymere) gebildet ist, wobei in der Polymer-Matrix noch andere besser thermisch leitfähige Materialien eingebracht oder compoundiert sind. Bei diesen Werkstoffen kann es sich beispielsweise um ein Metall oder eine Metalllegierung handeln. Beispielhaft sind Kupfer, Aluminium und/oder Stahl genannt. Diese Materialien sollten mehr als 15 Vol%, 20 Vol%, 30 Vol%, 40 Vol%, 50 Vol%, 60 Vol%, 70 Vol% oder mehr als 80 Vol% der Gesamtmasse bzw. des Gesamtvolumens ausmachen. Diese Werkstoffe sollten allerdings weniger als 95 Vol%, 90 Vol%, 75 Vol%, 55 Vol%, 45 Vol%, 35 Vol%, 25 Vol% oder weniger als 15 Vol% der Gesamtmasse bzw. des Gesamtvolumens ausmachen. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass auf dem Füllmaterial 21 noch eine Metallschicht angeordnet ist, die dann Kontaktfläche 16 bildet.
Dargestellt ist ebenfalls, dass der Wärmetauscher 1 einen oder mehrere Kühlmittel-Kanäle 5, 5a, 5b aufweist, wobei bei Verwendung mehrerer Kühlmittel-Kanäle 5, 5a, 5b diese in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Ebene vorzugsweise parallel zur Kontaktfläche 16 verläuft. Denkbar wäre ebenfalls, dass in einem Wärmetauscherrahmen zwei Kühlmittel-Kanäle 5a, 5b in zwei verschiedenen Ebenen angeordnet sind, wobei diese verschiedenen Ebenen parallel zur Kontaktfläche 16 und parallel zueinander ausgerichtet sind.
Mit Hinblick auf die 7A und 7B wird noch ein mögliches Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 gezeigt. Die 7B zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Achse A-A', wie diese in 6B dargestellt ist. Der Wärmetauscher 1 besteht aus zwei Platten 25a, 25b, in die jeweils ein Teil 26a, 26b des Kühlmittel-Kanals 5 eingebracht bzw. ausgebildet ist. Die beiden Platten 25a, 25b werden im Weiteren kraft- und/oder stoffschlüssig unter Bildung des plattenförmigen Kühlkörpers 15 miteinander verbunden, wodurch der vollständige Kühlmittel-Kanal 5 durch beide zusammengesetzten Teile 26a, 26b gebildet ist. Der Kühlmittel-Kanal 5 ist in diesem Fall sechseckig. Er könnte auch andere Formen aufweisen. Das Verbinden der beiden Platten 25a, 25b kann beispielsweise durch Verkleben oder bevorzugt durch ein (Reib-)Schweißverfahren erfolgen. Die beiden Teile 26a, 26b sind vorzugsweise identisch aufgebaut, so dass durch jeden dieser Teile 26a, 26b der halbe Kühlmittel-Kanal 5 (in Schnittdarstellung) gebildet wird. Dadurch kann die gleiche Form für die Herstellung der beiden Platten 25a, 25b verwendet werden. Die Herstellung kann beispielsweise in einem Spritzgussverfahren erfolgen. Die beiden Platten 25a, 25b bestehen vorzugsweise aus Kunststoff. Sie können aber auch noch andere Werkstoffe enthalten. Ein solcher Wärmetauscher 1 ist selbstragend und besteht vorzugsweise aus Voll-Kunststoff.
Die Oberflächen der beiden Platten 25a, 25b, die nach Bildung des Wärmetauschers 1 die Außenflächen darstellen bilden die Kontaktflächen 16 oder können noch mit einer Metallschicht versehen werden, durch die die Kontaktschicht 16 gebildet wird.
Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass noch Dichtungen in die beiden Teile 26a, 26b eingelegt werden, um sicherzustellen, dass aus dem Kühlmittel-Kanal 5 kein Kühlmittel ausläuft. Der Wärmetauscher 1 kann allerdings auch dichtungsfrei ausgeführt werden, wobei sich das Wort dichtungsfrei auf den Kühlmittel-Kanal 5 bezieht. An dem Kühlmittel-Einlass 3 und an dem Kühlmittel-Auslass 4 können selbstverständlich Dichtungen angeordnet sein. Lediglich innerhalb des Wärmetauscherrahmens 2 sind vorzugsweise keine Dichtungen ausgebildet.
Die 6C zeigt eine Wärmetauscheranordnung 30, die zumindest zwei, drei, vier oder fünf oder mehr Wärmetauscher 1 aufweist. Bei diesen Wärmetauschern 1 handelt es sich um Wärmetauscher 1, die als Wärmesenke, also als wärmeaufnehmender Wärmetauscher 1 ausgebildet sind. Diese umfassen hierzu einen plattenförmigen Kühlkörper 15. Sie können entsprechend den 4 bzw. 6A, 6B aufgebaut sein. Jeder dieser Wärmetauscher 1 umfasst zumindest einen Kühlmittel-Einlass 3 und zumindest einen Kühlmittel-Auslass 4. Vorzugsweise umfasst jeder dieser Wärmetauscher 1 (zwei) Kontaktflächen 16, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Wärmetauscher 1 sind dabei gestapelt bzw. sandwichartig (hochkant) nebeneinander angeordnet, wobei sich (lediglich) ihre Kontaktflächen 16 zumindest mittelbar berühren. Es handelt sich hierbei um einen gestackten Aufbau, wie dieser der 6D zu entnehmen ist. Zwischen zwei Kontaktflächen 16 kann optional noch Wärmeleitpaste bzw. ein Kupferspacer angeordnet sein (mittelbares Berühren). Dies ist aber nicht notwendig.
Bevorzugt arbeitet die Wärmetauscheranordnung 30 nach dem Gegenstrom-Prinzip. Dies bedeutet, dass die Kühlmittel-Einlässe 3 und die Kühlmittel-Auslässe 4 zwischen zwei (unmittelbar) benachbarten, also aneinander angrenzenden Wärmetauschern 1 vertauscht sind, so dass das Kühlmittel zwei benachbarte Wärmetauscher 1 in unterschiedlicher Richtung durchläuft. Dadurch kann das Entstehen von lokalen Hotspots vermieden werden. Die Kühlmittel-Einlässe 3 aller Wärmetauscher 1 können alle mit dem Kühlmittel-Auslass 4 eines zentralen Wärmetauschers 1, insbesondere in Form eines luftgekühlten Wärmetauschers 1, gemeinsam verbunden werden. Im Gegenzug können die Kühlmittel-Auslässe 4 aller Wärmetauscher 1 gemeinsam mit dem Kühlmittel-Einlass 3 des zentralen Wärmetauschers 1, insbesondere des luftgekühlten Wärmetauschers 1, verbunden werden. Bevorzugt werden die einzelnen Wärmetauscher 1 der Wärmetauscheranordnung 30 in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, dass lediglich der Kühlmittel-Einlass 3 des ersten Wärmetauschers 1 der Wärmetauscheranordnung 30 mit dem Kühlmittel-Auslass 4 des zentralen Wärmetauschers 1 verbunden wird. Der Kühlmittel-Auslass 4 des ersten Wärmetauschers 1 der Wärmetauscheranordnung 30 wird dann mit dem Kühlmittel-Einlass 3 des zweiten Wärmetauschers 1 der Wärmetauscheranordnung 30 verbunden. Dies setzt sich für alle Wärmetauscher 1 der Wärmetauscheranordnung 30 so fort. Der Kühlmittel-Auslass 4 des letzten Wärmetauschern 1 der Wärmetauscheranordnung 30 wird dann mit dem Kühlmittel-Einlass 3 des zentralen Wärmetauschers 1 verbunden. Dieser Sachverhalt wird allerdings im Hinblick auf die 9A bis 9E genauer erläutert.
In Draufsicht auf die Kontaktflächen 16 der Wärmetauscher 1 ist der zumindest eine Kühlmittel-Kanal 5 eines Wärmetauschers deckungsgleich oder überwiegend (mehr als 70%) deckungsgleich zu dem zumindest einen Kühlmittel-Kanal 5 eines anderen oder aller anderen Wärmetauscher 1 angeordnet.
In 6D sind zwei derartige Wärmetauscheranordnungen 30 gezeigt, wobei jede dieser Wärmetauscheranordnungen 30 zwei Wärmetauscher 1 aufweist. Zwischen beiden Wärmetauscheranordnungen 30 ist ein Akku 31 bzw. eine Hoch-Volt-Batterie, der bzw. die mehrere Zellen umfassen kann, angeordnet. Bei der Erwärmung des Akkus 31 wird diese Wärme durch die Kontaktflächen 16 der einzelnen Wärmetauscher 1 aufgenommen und dem Kühlmittel in dem jeweiligen Kühlmittel-Kanal 5 zugeführt. Derjenige Wärmetauscher 1 einer Wärmetauscheranordnung 30, dessen Kontaktflächen 16 in thermischen Kontakt zu dem zu kühlenden Akku 31 stehen, gibt die aufgenommene Wärme (die durch den Akku 31 abgegeben wurde) nicht nur an das Kühlmittel in dem eigenen Kühlmittel-Kanal 5 ab, sondern auch noch zum Teil an seinen benachbarten Wärmetauscher 1, die zusammen (nebeneinander) gestapelt angeordnet sind. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass ein solcher Akku 31 (Hoch-Volt-Batterie) in einer Wärmetauscheranordnung 30 zwischen zwei Wärmetauschern 1 eingebracht wird. Dabei könnte diese Wärmetauscheranordnung 30 lediglich aus zwei Wärmetauschern 1 bestehen. Vorzugsweise besteht die Wärmetauscheranordnung 30 allerdings aus vier Wärmetauschern 1, wobei der Akku 31 in der Mitte der Wärmetauscheranordnung 30 eingebracht wird. Der Akku 31 (Hoch-Volt-Batterie) steht daher in thermischen Kontakt zu zwei Kontaktflächen 16, wobei in Richtung jeder dieser Kontaktflächen 16 zwei Wärmetauscher 1 angeordnet sind. Zusammenfassend bedeutet dies, dass ein Akku 31, also die Hoch-Volt-Batterie in den gestackten Aufbau einer Wärmetauscheranordnung 30 integriert ist, oder dass ein Akku 31, also die Hoch-Volt-Batterie zwischen zwei Wärmetauscheranordnungen 30 angeordnet ist.
Weiterhin kann ein Verband aus mehreren Wärmetauscheranordnungen 30 geschaffen werden, wobei vorzugsweise jeweils nach zwei (nebeneinander) gestapelten Wärmetauschern 1 ein Akku 31 angeordnet ist. Dabei kann es 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 oder mehr als 100 Wärmetauscher 1 geben.
8 zeigt einen Teil eines Kraftfahrzeugs 40, wo erläutert wird, wie der erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 in Form eines luftgekühlten Wärmetauschers 1 einen Verbrennungsmotor 41 kühlt. An dem Wärmetauscher 1 sind noch eine oder zwei Wärmetauscherseitenwangen 42 angeordnet, wobei in zumindest einer Wärmetauscherseitenwange 42 eine oder beide (Impuls-) Pumpen 11a, 11b integriert sind. Nicht dargestellt ist ein Lüfter 62 (siehe 9E), der beispielsweise mit einer Luftmassen-Steuerklappeneinheit 43 in Wirkverbindung steht. Diese Luftmassen-Steuerklappeneinheit 43 ist in einem Halterahmen 44 montiert. An diesen Halterahmen 44 schließt sich der Wärmetauscher 1 an, der ebenfalls noch in einem zusätzlichen Halterahmen 45 befestigt sein kann. Die Wärmetauscherseitenwangen 42 sind vorzugsweise an den kürzeren Rahmenseiten 2a, 2b des Wärmetauscherrahmens 2 angeordnet.
Weiterhin ist ein Kühlmittelbehälter 46 gezeigt, welcher vorzugsweise Bestandteil einer Kühleinrichtung 50 oder des Wärmetauschers 1 ist, wie diese in den nachfolgenden Figuren noch beschrieben wird. Der Kühlmittelbehälter 46 ist durch einen Druckverschlussdeckel 47 gesichert bzw. verschlossen. In diesem Kühlmittelbehälter 46 ist ein Teil des Kühlmittels, welches durch den Wärmetauscher 1 gepumpt wird, gespeichert. Der Kühlmittelbehälter 46 umfasst außerdem noch zumindest ein Überdruckventil (nicht dargestellt), über das ein Abbau eines Überdrucks im Kühlmittelbehälter 46 bzw. im Kühlmittel-Kreislauf 51a, 51b erfolgt. Ein solcher Überdruck wird vorzugsweise dann abgebaut, wenn der Druckverschlussdeckel 47 zum Öffnen gedreht wird. Dabei ist das zumindest eine Überdruckventil mit seiner Austrittsöffnung derart am Kühlmittelbehälter 46 angeordnet und ausgerichtet, dass die Austrittsöffnung von dem Druckverschlussdeckel 46 weg zeigt. Dadurch wird vermieden, dass ein Benutzer, welcher den Druckverschlussdeckel 47 dreht, durch heißes ausströmendes Kühlmittel verletzt wird. An diesem Kühlmittelbehälter 46 bzw. allgemein im Kühlmittel-Kreislauf 51a, 51b können noch ein oder mehrere Drucksensoren angeordnet sein.
Die 9A bis 9E zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 50, die mehrere Wärmetauscher 1 umfasst, die durch unterschiedliche Schaltungstopologien miteinander verbunden sind. In den Zeichnungsfiguren gibt es zumindest einen luftgekühlten Wärmetauscher 1, der auch als WT_MAIN bezeichnet wird. Dieser luftgekühlte Wärmetauscher 1 ist gemäß der Beschreibung zu 1 und 3 aufgebaut. In diesem Fall umfasst der luftgekühlte Wärmetauscher 1 zwei Kühlmittel-Einlässe 3a, 3b und zwei Kühlmittel-Auslässe 4a, 4b. Vorzugsweise umfasst dieser Wärmetauscher 1 zwei getrennte Kühlmittel-Kanäle 5a, 5b. Bevorzugt gibt es zwei getrennte Kühlmittel-Kreisläufe 51a, 51b, die den ersten Kühlmittel-Auslass 4a mit dem ersten Kühlmittel-Einlass 3a und den zweiten Kühlmittel-Auslass 4b mit dem zweiten Kühlmittel-Einlass 3b verbinden. In beiden Kühlmittel-Kreisläufen 51a, 51b gibt es in 9A eine (Impuls)Pumpe 11a. Mit Hinblick auf 9B gibt es in jedem Kühlmittel-Kreislauf 51a, 51b zwei (Impuls)Pumpen 11a, 11b, die in Reihe zueinander geschaltet sind. Eine Parallelschaltung wäre ebenfalls denkbar.
In dem ersten Kühlmittel-Kreislauf 51a ist neben der (Impuls)Pumpe 11a, 11b noch ein weiterer Wärmetauscher 1 angeordnet. Bei diesem Wärmetauscher 1 handelt es sich vorzugsweise um einen solchen, welcher im Bodenbereich eines Kraftfahrzeugs 40 angeordnet ist und einen plattenförmigen Kühlkörper 15 aufweist und als Wärmesenke dient. Dieser Wärmetauscher 1 ist in 4 beschrieben. Dieser Wärmetauscher 1 ist größer als diejenigen Wärmetauscher 1, die im zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51b angeordnet sind. Bei diesen Wärmetauschern 1 im zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51b handelt es sich ebenfalls um Wärmesenken, die einen plattenförmigen Kühlkörper 15 aufweisen und gemäß den Ausführungsbeispielen der 6A bis 6D gebildet sind. In diesem zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51b können auch Wärmetauscheranordnungen 30 integriert sein, die mehrere nebeneinander gestapelte bzw. sandwichartig aufgebaute Wärmetauscher 1 umfassen.
In dem ersten Kühlmittel-Kreislauf 51a ist in diesem Ausführungsbeispiel lediglich ein Wärmetauscher 1 angeordnet. Hier könnten allerdings auch mehrere angeordnet sein. In dem zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51b sind mehrere Wärmetauscher 1 bzw. mehrere Wärmetauscheranordnungen 30 angeordnet, die mit Hinblick auf die 9A, 9B und 9E in Reihe geschaltet sind. Dies bedeutet, dass der Kühlmittel-Auslass 4 eines Wärmetauschers 1 mit dem Kühlmittel-Einlass 3 eines benachbarten Wärmetauschers 1 verbunden ist.
Die 9B unterscheidet sich von der 9A lediglich dadurch, dass die Kühleinrichtung 50 zu Redundanzzwecken noch eine zweite (Impuls) Pumpe 11b in jedem Kühlmittel-Kreislauf 51a, 51b aufweist.
In der 9C sind die Wärmetauscher 1 bzw. die Wärmetauscheranordnungen 30 geringfügig unterschiedlich mit dem zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51b verbunden. So sind alle Kühlmittel-Einlässe 3 der Wärmetauscher 1 bzw. der Wärmetauscheranordnungen 30 unmittelbar mit dem Kühlmittel-Auslass 4b des luftgekühlten Wärmetauschers 1 (parallel) verbunden. Dagegen sind alle Kühlmittel-Auslässe 4 der plattenförmigen Wärmetauscher 1 bzw. der Wärmetauscheranordnungen 30 gemeinsam, also unmittelbar mit einem Kühlmittel-Einlass 3b des luftgekühlten Wärmetauschers 1 (parallel) verbunden.
In 9D ist dieser Sachverhalt geringfügig unterschiedlich. Hier sind die Kühlmittel-Einlässe 3 und die Kühlmittel-Auslässe 4 der plattenförmigen Wärmetauscher 1 bzw. der Wärmetauscheranordnungen 30 allesamt parallel geschaltet und mit dem zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51b verbunden.
9E zeigt zusätzlich den Einsatz einer Steuereinrichtung 60, die ebenfalls Bestandteil der Kühleinrichtung 50 ist. Diese Steuereinrichtung 60 kann beispielsweise in Form eines Mikrokontrollers bzw. allgemein in Form eines Prozessors ausgebildet sein. Diese Steuereinrichtung steht in (drahtloser) Verbindung mit einer Sensoreinrichtung 61. Die Sensoreinrichtung 61 umfasst mehrere Sensoren aus der Gruppe der Temperatursensoren, Vibrationssensoren, Drucksensoren, Durchflussmesssensoren, Konzentrationsmesssensoren und Drehzahlmesssensoren. Einige oder alle dieser Sensoren übermitteln ihre Messergebnisse berührungslos an die Steuereinrichtung 60. Beispielsweise kann ein Lüfter 62, der vor dem luftgekühlten Wärmetauscher 1 angeordnet ist, durch die Steuereinrichtung 60 bezüglich seiner Drehzahl (z.B. berührungslos) gesteuert werden. Ein in diesem integrierter Drehzahlsensor übermittelt die derzeitige Lüfterdrehzahl an die Steuereinrichtung 60. Temperatursensoren können im ersten bzw. zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51a, 51b bzw. in den Wärmetauschern 1 oder in den Wärmetauscheranordnungen 30 integriert sein. Gleiches gilt auch für Durchflussmesssensoren, die auch im ersten oder zweiten Kühlmittel-Kreislauf 51a, 51b bzw. an den jeweiligen Kühlmittel-Einlässen 3, 3a, 3b bzw. Kühlmittel-Auslässen 4, 4a, 4b vor bzw. nach jedem Wärmetauscher 1 bzw. jeder Wärmetauscheranordnung 30 angeordnet sein können. Das Gleiche gilt ebenfalls für Drucksensoren, die nicht nur im Kühlmittelbehälter 46 angeordnet sein müssen. Ein Konzentrationsmesssensor kann beispielsweise den prozentualen Anteil eines Frostschutzmittels innerhalb des Kühlmittels ermitteln und an die Steuereinrichtung 60 übertragen.
Auch die (Impuls) Pumpen 11a, 11b können durch die Steuereinrichtung 60 gesteuert werden. Diese können ebenfalls Drehzahlmesssensoren umfassen, so dass die aktuelle (Impuls)Pumpendrehzahl an die Steuereinrichtung 60 zurück übermittelt werden kann. Die Steuereinrichtung 60 steht ebenfalls mit einer Anzeigeeinrichtung 63 in Wirkverbindung, wobei es sich bei der Anzeigeeinrichtung 63 vorzugsweise um einen Bildschirm innerhalb eines Kraftfahrzeugs 40 handelt. Auf dieser Anzeigeeinrichtung 63 können etwaige Fehler für einen Benutzer visualisiert werden.
Der gesamte erläuterte Wärmetauscher zeichnet sich also durch verschiedene Aspekte in Alleinstellung wie aber auch in Kombination mit anderen Merkmalen aus.
Der erläuterte Wärmetauscher 1 kann, wie erläutert, in Verkehrsmitteln (z.B. Kraftfahrzeugen) mit Verbrennungsmotoren und Hochvolt-Batterien (Akkus 31) eingesetzt werden. Insbesondere ist der Wärmetauscher 1 selbsttragend und aus einem Vollkunststoff aufgebaut.
Der erläuterte Kühlmittel-Kanal 5 ist bezüglich der Turbulenz-Strömung 10 optimiert. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Winkel der einzelnen Segmente 7a, 7b, 7c in dem Kühlmittel-Kanal 5 zueinander in langen Kühlmittel-Förderstrecken mit hohen Fließwiderständen mit 15° ± 5° angegeben sind und in kurzen Kühlmittel-Förderstrecken mit 30° ± 10°.
Der erläuterte Wärmetauscher 1, insbesondere die Kühlmittel-Kreisläufe 51a, 51b werden von elektrisch angetriebenen Pumpen 11a, 11b aller Art, die mit möglichst wenig Schaufeln bzw. Flügeln 13 arbeiten, angetrieben. Pumpen 11a, 11b, die mehr Flügel bzw. Schieber 13 aufweisen, führen zu weniger Impulsen pro Umdrehung. Ein Einsatz derartiger Pumpen könnte gegebenenfalls je nach verwendetem Kühlmittel aus Trägheitsgründen dennoch sinnvoll sein.
Die beschriebene Wärmetauscheranordnung 30, die aus mehreren plattenförmigen Kühlkörpern 15 einzelner Wärmetauscher 1 zusammengesetzt ist, arbeitet vorteilhaft im Gegenstrom-Prinzip bzw. -Verfahren. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kühlmittel-Kanäle 5, 5a, 5b turbulenzoptimiert sind und die Fließwiderstände durch Strömungsimpulse, die durch Impulspumpen 11a, 11b erzeugt werden, reduziert sind.
Vorteilhaft ist ebenfalls, dass der Kühlmittel-Behälter 46 einen Drucksensor aufweist, der die erforderlichen bzw. funktionskritischen Kennwerte an die Steuereinrichtung 60 insbesondere berührungslos übermittelt. Einige oder alle der aufgezeigten Sensoren übermitteln ihre Messergebnisse berührungslos an die Steuereinrichtung 60. Dies kann beispielsweise über Bluetooth® erfolgen. Die einzelnen Sensoren können auch ein Bluetooth®-MESH-Netzwerk bilden, wobei Messwerte eines Sensors nicht direkt an die Steuereinrichtung 60 übermittelt werden, sondern über einen weiteren Sensor (Daisy-Chain-Netzwerk).
Erläutert wurde ebenfalls, dass die Wärmetauscher 1 einen plattenförmigen Aufbau aufweisen, wobei Polymerwerkstoffe, also Kunststoffe aller Art mit zusätzlichen Füllmaterialen 21 zum Einsatz kommen, welche die thermischen Kennwerte positiv beeinflussen. Als Füllmaterialien 21 kommen dabei sehr gut wärmeleitende Werkstoffe wie Kupfer, Aluminium und/oder Stahl in Frage. Diese machen zwischen 15 Vol% bis maximal 80 Vol% der Polymerwerkstoff-Matrix aus. Diese Wärmetauscher 1 sind dann in einem Fertigungsschuss mit oder ohne Inserts, Dichtungen oder anderen Einlegern aus Metallen herstellbar, was besonders kostengünstig ist. Es wird hierzu auf die entsprechenden Schweiß- und Schmelzkern-Technologien verwiesen.
Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass der Wärmetauscher 1 aus Kunststoff besteht und an bestimmten Bereichen Metall-Einlagen aufweist. Derartige Metall-Einlagen können beispielsweise eingepresst werden bzw. von dem Kunststoff umspritzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung sind alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale beliebig miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004020899 U1 [0003, 0004]

Claims

Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) für ein Fahrzeug (40) mit den folgenden Merkmalen: - der Wärmetauscher (1) umfasst einen Wärmetauscherrahmen (2); - der Wärmetauscher (1) umfasst zumindest einen Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) und zumindest einen Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b), die am Wärmetauscherrahmen angeordnet (2) sind; - der zumindest eine Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) und der zumindest eine Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) sind über zumindest einen, im Wärmetauscherrahmen (2) verlaufenden, Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) miteinander verbunden; - der zumindest eine Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) umfasst mehrere Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) mit mehreren zugehörigen Segmenten (7a, 7b); - die Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) sind über Umlenkabschnitte (8a, 8b) zu dem zumindest einen durchgehenden mäanderförmig verlaufenden Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) verbunden, worüber ein Kühlmittel, welches am zumindest einen Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) eingespeist wird, am zumindest einen Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) austritt; - aufeinanderfolgende Segmente (7a, 7b) der Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) laufen zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des Kühlmittels unter einem Winkel (β) aufeinander zu.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - der Winkel (β) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Segmenten (7a, 7b) ist: $β = 180 ° - 2 \cdot α,$
mit α ≥ 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19°, 20°, 21°, 22°, 23°, 24°, 25°, 26°, 27°, 28°, 29°, 30°, 31°, 32°, 33°, 34°, 35°, 36° ,37°, 38° oder 39°, aber mit α ≤ 40°, 39°, 38°, 37°, 36°, 35°, 34°, 33°, 32°, 31°, 30°, 29°, 28°, 27°, 26°, 25°, 24°, 23°, 22°, 21°, 20°, 19°, 18°, 17°, 16°, 15°, 14°, 13°, 12° oder 11°.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - einige oder alle der Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) sind innerhalb des Wärmetauscherrahmens (2) gleich ausgerichtet und/oder liegen in derselben Ebene; und/oder - Segmente (7a, 7b) eines Turbulenz-Kanal-Abschnitts (6a, 6b) sind parallel zu Segmenten (7a, 7b) eines benachbarten Turbulenz-Kanal-Abschnitts (6a, 6b) angeordnet; und/oder - ein oder mehrere Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) verlaufen von einer ersten Rahmenseite (2a) des Wärmetauscherrahmens (2) zu einer zweiten Rahmenseite (2b) des Wärmetauscherrahmens (2), wobei die zweite Rahmenseite (2b) des Wärmetauscherrahmens (2) der ersten Rahmenseite (2a) des Wärmetauscherrahmens (2) gegenüberliegt.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - der Wärmetauscher (1) umfasst mehrere Kühlmittel-Kanäle (5a, 5b); - die Kühlmittel-Kanäle (5a, 5b) verlaufen getrennt und sind: a) miteinander an dem gemeinsamen Kühlmittel-Einlass (3) und an dem gemeinsamen Kühlmittel-Auslass (4) verbunden; oder b) mit unterschiedlichen Kühlmittel-Einlässen (3a, 3b) und unterschiedlichen Kühlmittel-Auslässen (4a, 4b) verbunden.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - zwei benachbarte Turbulenz-Kanal-Abschnitte (6a, 6b) sind um mehr als 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 40 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm und/oder um weniger als 200 mm, 150 mm, 100 mm, 70 mm, 50 mm oder 30 mm voneinander beabstandet; und/oder - ein Turbulenz-Kanal-Abschnitt (6a, 6b) ist länger als 10 cm, 20 cm, 30 cm, 50 cm, 70 cm, 90 cm, 120 cm, 150 cm, 170 cm, 190 cm, 220 cm oder 250 cm und/oder kleiner als 300 cm, 270 cm, 250 cm, 230 cm, 210 cm, 180 cm, 140 cm, 110 cm, 80 cm, 60 cm, 40 cm oder 25 cm; und/oder - ein Turbulenz-Kanal-Abschnitt (6a, 6b) hat eine Höhe oder einen Durchmesser, der größer ist als 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 15 mm oder 17 mm und/oder der kleiner ist als 20 mm, 18 mm, 14 mm, 13 mm, 11 mm, 9 mm oder 7 mm; und/oder - ein Segment (7a, 7b) eines Turbulenz-Kanal-Abschnitts (6a, 6b) ist länger als 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm oder 40 cm und/oder kleiner als 50 cm, 40 cm, 35 cm, 30 cm, 25 cm, 20 cm, 15 cm, 12 cm, 10 cm oder 7 cm.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - der Wärmetauscher (1) ist selbsttragend; und/oder - der Wärmetauscher (1) besteht aus zumindest einem Polymer oder umfasst zumindest ein Polymer.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - der Wärmetauscher (1) ist als luftgekühlter Wärmetauscher (1) ausgebildet; - zwischen zwei benachbarten Turbulenz-Kanal-Abschnitten (6a, 6b) ist zur Wärmeabgabe ein freier Luft durchströmbarer Abstandsraum (9) gebildet.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - der Wärmetauscher (1) ist als Wärmesenke ausgebildet; - der zumindest eine Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) ist in einem plattenförmigen Kühlkörper (15) angeordnet, wobei zumindest eine Oberfläche des plattenförmigen Kühlkörpers (15) zumindest eine Kontaktfläche (16) bildet, um Wärmeenergie aufzunehmen und an das Kühlmittel abzugeben.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - der zumindest eine Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) ist von einem Füllmaterial (21) umgeben oder begrenzt, durch das die zumindest eine Kontaktfläche (16) gebildet ist.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - auf dem Füllmaterial (21) ist noch eine Metallschicht angeordnet, die die Kontaktfläche (16) bildet.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - das Füllmaterial (21) besteht aus oder umfasst Polymere; oder - das Füllmaterial (21) ist aus Polymeren gebildet, wobei in die Polymer-Matrix noch Werkstoffe wie Kupfer, Aluminium und/oder Stahl eingebracht oder compoundiert sind, wobei diese Werkstoffe mehr als 15 Vol%, 20 Vol%, 30 Vol%, 40 Vol%, 50 Vol%, 60 Vol%, 70 Vol% oder mehr als 80 Vol% der Gesamtmasse bzw. des Gesamtvolumens aber weniger als 90 Vol%, 75 Vol%, 65 Vol%, 55 Vol%, 45 Vol%, 35 Vol%, 25 Vol% oder weniger als 15 Vol% der Gesamtmasse bzw. des Gesamtvolumens ausmachen.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach einem der Anspruche 8 bis 11, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - der zumindest eine Wärmetauscher (1) umfasst zwei Platten (25a, 25b), in die jeweils ein Teil (26a, 26b) des Kühlmittel-Kanals (5, 5a, 5b) ausgebildet ist; - die beiden Platten (25a, 25b) sind kraft- und/oder stoffschlüssig unter Bildung des plattenförmigen Kühlkörpers (15) miteinander verbunden, wobei der vollständige Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) durch beide Teile (26a, 26b) gebildet ist.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - der Wärmetauscher (1) umfasst noch zumindest eine Deckplatte und zumindest eine Bodenplatte (17), die zusammen mit dem Wärmetauscherrahmen (2) den plattenförmigen Kühlkörper (15) bilden und den Wärmetauscherrahmen (2), sowie den darin befindlichen Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) verschließen.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - der Wärmetauscher (1) umfasst Zwischenwände (18), die zusammen mit der zumindest einen Deckplatte und der zumindest einen Bodenplatte (17) die Wände des Kühlmittel-Kanals (5, 5a, 5b) bilden; - der Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) hat einen quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt.
Wärmetauscher (1) einer Kühleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - der Wärmetauscher (1) weist an seinen Außenflächen, mit Ausnahme der zumindest einen Kontaktfläche (16), eine thermisch isolierende Schicht (19) auf.
Wärmetauscheranordnung (30), die zumindest zwei, drei, vier oder fünf Wärmetauscher (1) aufweist, die gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15 aufgebaut sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die zumindest zwei, drei, vier oder fünf Wärmetauscher (1) sind gestapelt bzw. sandwichartig angeordnet, wobei sich ihre Kontaktflächen (16) berühren; - der zumindest eine Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) und der zumindest eine Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) ist bei zwei benachbarten Wärmetauschern (1) vertauscht, sodass diese nach dem Gegenstrom-Prinzip arbeiten bzw. betreibbar sind.
Wärmetauscheranordnung (30) nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - in Draufsicht auf die Kontaktflächen (16) der Wärmetauscher (1) ist der zumindest eine Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) eines Wärmetauschers (1) deckungsgleich oder überwiegend deckungsgleich zu dem zumindest einen Kühlmittel-Kanal (5, 5a, 5b) eines anderen Wärmetauschers (1) angeordnet.
Kühleinrichtung (50) für ein Fahrzeug (40), wobei die Kühleinrichtung (50) zumindest einen Wärmetauscher (1) aufweist, der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 aufgebaut ist, mit den folgenden Merkmalen: - der zumindest eine Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) und der zumindest eine Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) sind an zumindest einen Kühlmittel-Kreislauf (51a, 51b) angeschlossen; - in jedem Kühlmittel-Kreislauf (51a, 51b) ist zumindest eine Pumpe (11a, 11b) oder sind zumindest zwei Pumpen (11a, 11b) angeordnet, die das Kühlmittel durch den Kühlmittel-Kreislauf (51a, 51b) pumpen und vorzugsweise als Impulspumpen (11a, 11b) aufgebaut sind.
Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die zumindest eine Pumpe (11a, 11b) oder die zumindest zwei Pumpen (11a, 11b) umfassen lediglich einen oder lediglich zwei Flügel (13).
Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - es ist ein Kühlmittelbehälter (46) mit einem Druckverschlussdeckel (47) vorgesehen; - der Kühlmittelbehälter (46) umfasst zumindest ein Überdruckventil, über das ein Abbau eines Überdrucks im Kühlmittelbehälter (46) erfolgt, wenn der Druckverschlussdeckel (47) gedreht wird.
Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - das zumindest eine Überdruckventil ist mit seiner Austrittsöffnung derart angeordnet und ausgerichtet, dass die Austrittsöffnung von dem Druckverschlussdeckel (47) weg zeigt.
Kühleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die Kühleinrichtung (50) umfasst eine Steuereinrichtung (60) und eine Sensoreinrichtung (61) ; - die Sensoreinrichtung (61) ist dazu ausgebildet Messdaten an die Steuereinrichtung (60) zu übertragen; - die Sensoreinrichtung (60) umfasst mehrere Sensoren aus der Gruppe der: a) Temperatursensoren; b) Vibrationssensoren; c) Drucksensoren; d) Konzentrationsmesssensoren; e) Durchflussmesssensoren; f) Drehzahlmesssensoren; - die Steuereinrichtung (60) ist dazu ausgebildet anhand der empfangenen Messdaten die zumindest eine Pumpe (11a, 11b) oder die zumindest zwei Pumpen (11a, 11b) anzusteuern.
Kühleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die Kühleinrichtung (50) umfasst einen luftgekühlten Wärmetauscher (1), der gemäß dem Anspruch 7 aufgebaut ist; - die Kühleinrichtung (50) umfasst: a) zumindest einen weiteren Wärmetauscher (1), der als Wärmesenke ausgebildet ist und gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15 aufgebaut ist; und/oder b) zumindest eine Wärmetauscheranordnung (30), die gemäß Anspruch 16 oder 17 aufgebaut ist; - der zumindest eine Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) des luftgekühlten Wärmetauschers (1) ist mit dem Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) des zumindest einen weiteren Wärmetauschers (1) oder mit dem Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) zumindest eines Wärmetauschers (1) in der Wärmetauscheranordnung (30) verbunden; - der zumindest eine Kühlmittel-Einlass (3, 3a, 3b) des luftgekühlten Wärmetauschers (1) ist mit dem Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) des zumindest einen weiteren Wärmetauschers (1) oder mit dem Kühlmittel-Auslass (4, 4a, 4b) zumindest eines Wärmetauschers (1) in der Wärmetauscheranordnung (30) verbunden; - die zumindest eine Kontaktfläche (16) des zumindest einen weiteren Wärmetauschers (1) steht in thermischen Kontakt zu zumindest einem Akku (31) bzw. zu zumindest einer Hoch-Volt-Batterie; und/oder zumindest ein Akku (31) bzw. zumindest eine Hoch-Volt-Batterie ist zwischen zwei Wärmetauschern (1) der Wärmetauscheranordnung (30) oder zwischen zwei Wärmetauscheranordnungen (30) einbringbar, sodass der zumindest eine Akku (31) bzw. die zumindest eine Hoch-Volt-Batterie in thermischen Kontakt zu zwei Kontaktflächen (16) steht.
Kühleinrichtung (50) nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: - die zumindest eine Wärmetauscheranordnung (30) ist auf der Kontaktfläche (16) des zumindest einen weiteren Wärmetauschers (1) angeordnet.