DE102020105454B4

DE102020105454B4 - Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers und Verwendung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers

Info

Publication number: DE102020105454B4
Application number: DE102020105454.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Englmeier
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: DE102020105454A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers (1) aus einer Anzahl n ≥ 2 von Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b), wobei- jede der Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) durch Bereitstellen einer Vielzahl rohrförmiger Mikrokanäle (2, 2a, 2b), Einbringen der Mikrokanäle (2, 2a, 2b) in eine Webvorrichtung und Verweben der rohrförmigen Mikrokanäle (2, 2a, 2b) mit einer Mehrzahl von Kettdrähten (3, 3a, 3b) in der Webvorrichtung erzeugt wird, und- zumindest ein Wärmetauscherpaket (8) des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers (1) aus der Anzahl n ≥ 2 von Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) gebildet wird, wobei die Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) übereinander angeordnet werden und zumindest abschnittsweise miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) derart übereinander angeordnet werden, dass die rohrförmigen Mikrokanäle (2, 2a, 2b) benachbarter Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) einen Winkel miteinander einschließen, der größer als 0° und kleiner als 180° ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wärmetauscher werden in Kraftfahrzeugen beispielsweise zur Kühlung von Ladeluft eingesetzt. Diese Wärmetauscher weisen häufig eine relativ große Masse auf. Im Hinblick auf den Energieverbrauch und die Fahreigenschaften des Kraftfahrzeugs ist es daher vorteilhaft, wenn die Masse derartiger Wärmetauscher möglichst gering ist.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 128 665 A1 ist ein Mikrokanalbündel-Wärmetauscher bekannt, der eine Vielzahl rohrförmiger Mikrokanäle aus Kunststoff aufweist. Diese rohrförmigen Mikrokanäle werden während des Betriebs von einem heißen Medium, wie zum Beispiel heißer Verbrennungsluft, durchströmt und von einem Kühlmedium, insbesondere Kühlluft oder einer Kühlflüssigkeit, umströmt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Medium und dem Kühlmedium erfolgen kann. Die rohrförmigen Mikrokanäle weisen typischerweise einen Durchmesser von 0,5 mm bis 2 mm auf und sind vorzugsweise in einem Abstand von 0,25 mm bis 1,0 mm voneinander beabstandet angeordnet. Um dem Mikrokanalbündel-Wärmetauscher eine entsprechende mechanische Stabilität zur Verfügung zu stellen, sind gelochte Zwischenplatten vorgesehen, in die die rohrförmigen Mikrokanäle eingesetzt sind. Die Lochung der Zwischenplatten wird durch Bohren, Lasern oder Sintern hergestellt. Die rohrförmigen Mikrokanäle werden bei der Herstellung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers einzeln in die in den Zwischenplatten ausgebildeten Löcher eingesetzt und durch Verlöten oder Verkleben stoffschlüssig mit den Zwischenplatten verbunden.
Ein derartiger Mikrokanalbündel-Wärmetauscher zeichnet sich insbesondere durch eine geringe Masse aus, da die rohrförmigen Mikrokanäle aus Kunststoff hergestellt sind. Aufgrund einer Vielzahl rohrförmiger Mikrokanäle (beispielsweise bis zu 10000 Mikrokanäle), die für die Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers verwendet werden, weist dieser eine entsprechend große Wärmetauscheroberfläche auf. Ferner tritt ein geringer Druckverlust des Kühlmediums im Vergleich zu einer so genannten Finnen-Umströmung auf.
Neben diesen Vorteilen weist der Mikrokanalbündel-Wärmetauscher jedoch auch einige Nachteile auf. So ist die Herstellung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers ein vollständig manueller Prozess. Das bedeutet, dass alle rohrförmigen Mikrokanäle manuell in die Löcher der Zwischenplatten eingefädelt werden müssen. Dieser Prozess ist daher extrem zeitaufwändig und darüber hinaus auch fehleranfällig. Ferner ist das Erzeugen der Löcher in den Zwischenplatten ebenfalls sehr zeitaufwändig, insbesondere, wenn dieses durch Bohren oder Sintern erfolgt.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2019 101 740 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.
Die DE 38 03 693 A1 offenbart einen mehrlagigen Hohlfadenwickelkörper, bei welchem zumindest ein Teil der Hohlfäden wendelförmig und/oder ein Teil der Hohlfäden spiralförmig ausgebildet ist, die Hohlfäden innerhalb jeder Hohlfadenlage in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, die Hohlfäden benachbarter aufeinanderfolgender Hohlfadenlagen sich kreuzen, die Hohlfäden in Form von wenigstens zwei übereinandergelegten und dann spiralförmig aufgewickelten Hohlfadenmatten angeordnet sind, die Hohlfäden innerhalb jeder Hohlfadenmatte von mehreren eingelegten Querfäden oder dergleichen gehalten werden, wobei innerhalb jeder Hohlfadenmatte der gegenseitige Abstand der Querfäden oder dergleichen größer ist als der gegenseitige Abstand der Hohlfäden, und keiner der Hohlfäden eine Umlenkstelle aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass das Verhältnis von gegenseitigem Abstand benachbarter Querfäden innerhalb jeder Hohlfadenmatte zu gegenseitigem Abstand benachbarter Hohlfäden innerhalb jeder Hohlfadenmatte im Bereich von 2 bis 40 liegt.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers vorzuschlagen, welches wesentlich einfacher und damit kostengünstiger ist.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers aus einer Anzahl n ≥ 2 von Wärmetauschermatten. Dabei ist vorgesehen, dass

- jede der Wärmetauschermatten durch Bereitstellen einer Vielzahl rohrförmiger Mikrokanäle, Einbringen der Mikrokanäle in eine Webvorrichtung und Verweben der rohrförmigen Mikrokanäle mit einer Mehrzahl von Kettdrähten in der Webvorrichtung erzeugt wird, und
- zumindest ein Wärmetauscherpaket des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers aus der Anzahl n ≥ 2 von Wärmetauschermatten gebildet wird, wobei die Wärmetauschermatten übereinander angeordnet werden und zumindest abschnittsweise miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zumindest einige der Wärmetauschermatten derart übereinander angeordnet werden, dass die rohrförmigen Mikrokanäle benachbarter Wärmetauschermatten einen Winkel miteinander einschließen, der größer als 0° und kleiner als 180° ist. Beispielsweise kann der Winkel, den die rohrförmigen Mikrokanäle benachbarter Wärmetauschermatten miteinander einschließen, 90° betragen, so dass benachbarte Wärmetauschermatten orthogonal zueinander orientiert sein können. Vorzugsweise können die Wärmetauschermatten miteinander verklebt werden. Durch das Verkleben kann eine entsprechende Trennung zwischen innerer und äußerer Seite der rohrförmigen Mikrokanäle erhalten werden. Durch das hier vorgestellte Verfahren kann die Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers besonders einfach, präzise und darüber hinaus auch mit einem hohen Automationsgrad erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Zwischenplatten, in die die rohrförmigen Mikrokanäle bislang einzeln manuell eingefädelt und anschließend dort verlötet oder verklebt werden mussten, vollständig entfallen können. Daraus ergeben sich erhebliche Vorteile bei der Herstellung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers, so dass die Herstellungskosten deutlich verringert werden können. Somit wird erreicht, dass derartige Mikrokanalbündel-Wärmetauscher relativ kostengünstig in einem Serienproduktionsprozess hergestellt werden können. Der Mikrokanalbündel-Wärmetauscher kann grundsätzlich aus einem oder mehreren Wärmetauscherpaketen hergestellt werden. Die zum Verweben der rohrförmigen Mikrokanäle verwendeten Kettdrähte sind insbesondere aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Vorzugsweise kann die Herstellung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers in einem vollständig automatisierten Prozess erfolgen.

Die gewebten Wärmetauschermatten ermöglichen verschiedenste Ausgestaltungen des Wärmetauscherpakets. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, dass zumindest einige der Wärmetauschermatten derart übereinander angeordnet werden, dass sich die rohrförmigen Mikrokanäle benachbarter Wärmetauschermatten parallel zueinander erstrecken. Die Kettfäden können dabei in vorteilhafter Weise ebenfalls als Wärmetauscher fungieren. Durch eine Anpassung beziehungsweise Vergrößerung der Anzahl der Kettfäden kann die effektiv zur Verfügung stehende Wärmetauscherfläche sehr einfach angepasst beziehungsweise vergrößert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die rohrförmigen Mikrokanäle während des Webprozesses in der Webvorrichtung doppelt von den Kettdrähten umschlungen werden. Dadurch kann ein besonders sicherer und mechanisch stabiler Halteverbund zwischen den Mikrokanälen und den Kettdrähten geschaffen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass durch das Anordnen mehrerer Wärmetauschermatten übereinander ein dicht gepacktes Wärmetauscherpaket aus den rohrförmigen Mikrokanälen erzeugt wird. Ein enges, dicht gepacktes Wärmetauscherpaket wirkt sich positiv auf einen effizienten Wärmeaustausch aus.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass rohrförmige Mikrokanäle verwendet werden, die aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) oder Polyimid, gefertigt sind. Das Polyimid kann beispielsweise als Polysuccinimid (PSI) und/oder Polybismaleinimid (PBMI) und/oder Polyoxadiazobenzimidazol (PBO) und/oder Polyimidsulfon (PISO) und/oder Polymethacrylimid (PMI) und/oder als ein anderer Kunststoff mit einer Imidgruppe ausgebildet sein. Bei der Herstellung werden die rohrförmigen Mikrokanäle beispielsweise extrudiert. Ein Extrudieren ist insbesondere dann vorgesehen, wenn die rohrförmigen Mikrokanäle aus PEEK oder PEKK bestehen. Alternativ können die rohrförmigen Mikrokanäle auch tauchgeformt sein. Ein solches Herstellungsverfahren ist vorzugsweise dann vorgesehen, wenn die rohrförmigen Mikrokanäle aus Polyimid bestehen.
Die rohrförmigen Mikrokanäle können auch aus einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein. So kann in einer alternativen Ausführungsform zum Beispiel vorgesehen sein, dass rohrförmige Mikrokanäle verwendet werden, die aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Edelstahl, Titan oder Aluminium, gefertigt sind. Diese zeichnen sich insbesondere durch eine hohe mechanische Stabilität aus. Im Vergleich zu rohrförmigen Mikrokanälen aus Kunststoff weisen derartige Mikrokanäle aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Edelstahl, Titan oder Aluminium, allerdings eine größere Masse auf. Bei der Verwendung von Aluminium ist zudem zu beachten, dass dieser Werkstoff eine relativ hohe Knickneigung aufweist, so dass er bei bestimmten konstruktiven Ausgestaltungen des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers ungeeigneter ist als zum Beispiel Edelstahl oder Titan.
Besonders zweckmäßig ist es, dass rohrförmige Mikrokanäle verwendet werden, die einen Außendurchmesser zwischen 0,3 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2 mm, haben.
Vorzugsweise werden Kettdrähte verwendet, die eine Dicke von etwa 50 µm aufweisen. Mit Hilfe dieser Kettdrähte kann ein wirksamer Halteverbund mit den rohrförmigen Mikrokanälen geschaffen werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherpaket in einem Wärmetauschergehäuse untergebracht wird. Das Wärmetauschergehäuse kann zumindest einen Einlass für das heiße Medium und zumindest einen Einlass für das Kühlmedium aufweisen. Das Wärmetauschergehäuse kann insbesondere auch so ausgebildet sein, dass die rohrförmigen Mikrokanäle großflächig von dem Kühlmedium umströmt werden können.
Um eine wirksame Abdichtung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers, insbesondere gegenüber dem Gehäuse, zu erreichen, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass - vorzugsweise nach dem Verkleben oder anderweitigen, insbesondere stoffschlüssigen, Verbinden der rohrförmigen Mikrokanäle - im Bereich jeder der beiden Stirnseiten des Wärmetauscherpakets seitlich zumindest eine radiale Nut eingebracht wird, in der ein Dichtungselement, insbesondere ein O-Ring, angeordnet wird. Vorzugsweise können im Bereich jeder der beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten zwei parallel zueinander orientierte radiale Nuten eingebracht werden, wobei in jeder dieser beiden Nuten ein Dichtungselement, insbesondere ein O-Ring, angeordnet wird. Mikrokanäle aus Metall können zum Beispiel miteinander verlötet werden, um diese stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers, der nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist, zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Stators der elektrischen Maschine, oder als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine.
Bei der Verwendung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers zur Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine wird dieser Stator von einem elektrisch nichtleitenden Kühlöl durchströmt. Das Kühlöl erwärmt sich bei der Durchströmung des Stators der elektrischen Maschine und bildet dadurch ein heißes Medium, das mittels des gewebten Mikrokanalbündel-Wärmetauschers gekühlt werden kann, der stromabwärts des Stators angeordnet ist. Das erwärmte Kühlöl umströmt von außen die rohrförmigen Mikrokanäle, die ihrerseits von einem Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, durchströmt werden. Durch diese Maßnahme wird das zuvor von dem Stator erwärmte Kühlöl wirksam gekühlt. Durch die vorstehend beschriebene Anordnung kann auf einem sehr kleinen Bauraum eine wirksame Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine realisiert werden. Die Verlustleistung der elektrischen Maschine wird von dem erwärmten Kühlwasser über einen Fahrzeugkühler an die Umgebungsluft abgegeben. Diese Art der Kühlung eignet sich zum Beispiel für die Kühlung der elektrischen Maschine eines Rennsportfahrzeugs.
Bei der Verwendung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine ist der Mikrokanalbündel-Wärmetauscher als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet. Die rohrförmigen Mikrokanäle werden dabei während des Betriebs des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers von einer Verbrennungsluft durchströmt, die zuvor von einer Aufladeeinrichtung, insbesondere von einem Turbolader, verdichtet wurde, so dass die Verbrennungsluft die Ladeluft für die Brennkraftmaschine bildet. Ferner wird Kühlluft quer zu den rohrförmigen Mikrokanälen, die von der Verbrennungsluft durchströmt werden, geführt, so dass die nach dem Aufladen erwärmte Verbrennungsluft wirksam gekühlt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen

1 eine perspektivische Ansicht einer Mehrzahl rohrförmiger Mikrokanäle, die mit Kettdrähten verwoben sind und aus denen ein Mikrokanalbündel-Wärmetauscher herstellbar ist,
2 eine ebene Wärmetauschermatte, aus der ein Wärmetauscherpaket des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers formbar ist,
3a eine perspektivische Ansicht eines durch Zusammenrollen der Wärmetauschermatte und beidseitiges Verkleben hergestellten Wärmetauscherpaket des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers, wobei ein Kühlmedium quer zu den Mikrokanälen geführt wird,
3b das Wärmetauscherpaket des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers gemäß 3a, wobei ein Kühlmedium in die Mikrokanäle eingeleitet wird,
4 eine Detailansicht einer der Stirnseiten des Wärmetauscherpakets mit in diesem Bereich eingebrachten Dichtungselementen,
5 einen Schnitt durch den Wärmetauscher nach der Unterbringung in einem Wärmetauschergehäuse,
6 eine Schnittdarstellung eines in Rundkanalbauweise ausgeführten Wärmetauschers, der insbesondere für eine Ladeluftkühlung vorgesehen ist,
7 eine ebene Wärmetauschermatte mit Kleberaupen, aus der ein Wärmetauscherpaket des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers formbar ist,
8 eine erste Variante eines Wärmetauscherpakets mit zumindest zwei Wärmetauschermatten,
9 eine zweite Variante eines Wärmetauscherpakets mit zumindest zwei Wärmetauschermatten,
10 eine dritte Variante eines Wärmetauscherpakets mit zumindest zwei Wärmetauschermatten,
11 eine Seitenansicht eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers, der als Ladeluftkühler vewendbar ist.

Zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 wird zunächst eine Vielzahl rohrförmiger Mikrokanäle 2 bereitgestellt. Diese rohrförmigen Mikrokanäle 2 bestehen vorzugsweise aus einem flexiblen und elastischen Kunststoffmaterial. Dadurch ist es möglich, den Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 besonders gewichtsoptimiert zu gestalten. Geeignete Kunststoffe sind insbesondere Polyetheretherketon, Polyetherketonketon oder Polyimid. Das Polyimid kann beispielsweise als Polysuccinimid (PSI) und/oder Polybismaleinimid (PBMI) und/oder Polyoxadiazobenzimidazol (PBO) und/oder Polyimidsulfon (PISO) und/oder Polymethacrylimid (PMI) und/oder als ein anderer Kunststoff mit einer Imidgruppe ausgebildet sein. Bei der Herstellung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 werden die rohrförmigen Mikrokanäle 2 beispielsweise extrudiert. Das Extrudieren ist insbesondere dann vorgesehen, wenn die rohrförmigen Mikrokanäle aus PEEK oder PEKK bestehen. Alternativ können die rohrförmigen Mikrokanäle auch tauchgeformt sein. Ein solches Herstellungsverfahren ist vorzugsweise dann vorgesehen, wenn die rohrförmigen Mikrokanäle 2 aus Polyimid bestehen. Alternativ können die rohrförmigen Mikrokanäle 2 auch aus einem metallischen Werkstoff, wie zum Beispiel aus Edelstahl, Titan oder Aluminium, hergestellt sein. Ein Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1, bei dem die rohrförmigen Mikrokanäle 2 aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Edelstahl, Titan oder Aluminium, hergestellt sind, weist allerdings eine größere Masse als ein Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 auf, bei dem die rohrförmigen Mikrokanäle 2 aus Kunststoff hergestellt sind.
Vorzugsweise werden rohrförmige Mikrokanäle 2 verwendet, die einen Außendurchmesser zwischen 0,3 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2 mm, haben. Für die Herstellung des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 können - insbesondere abhängig vom Durchmesser der rohrförmigen Mikrokanäle 2 - zum Beispiel mehrere hundert rohrförmige Mikrokanäle 2 bereitgestellt werden. Ausgestaltungen des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 mit mehr als 1000 rohrförmigen Mikrokanälen 2 sind grundsätzlich ebenfalls denkbar.
Die rohrförmigen Mikrokanäle 2 werden in eine Webvorrichtung eingebracht, insbesondere darin eingespannt, und mittels der Webvorrichtung mit einer Mehrzahl von Kettdrähten 3, die insbesondere metallisch ausgeführt sein können, verwoben. Vorzugsweise werden die rohrförmigen Mikrokanäle 2 bei diesem Webprozess beidseitig von den Kettdrähten 3 umschlungen. 1 zeigt in vergrößerter Darstellung mehrere rohrförmige Mikrokanäle 2, die beidseitig von den Kettdrähten 3 umschlungen sind. Vorzugsweise werden für diesen Webprozess in der Webvorrichtung Kettdrähte 3 verwendet, die eine Dicke von etwa 50 µm aufweisen. Dadurch wird ein stabiler Halteverbund zwischen den rohrförmigen Mikrokanälen 2 und den Kettdrähten 3 geschaffen. Auf diese Weise wird aus den rohrförmigen Mikrokanälen 2, die mittels der Kettdrähte 3 miteinander verbunden sind, eine ebene Wärmetauschermatte 4 erhalten, wie sie in 2 exemplarisch dargestellt ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3a kann in einem nachfolgenden Formungsprozess, insbesondere durch Falten und/oder Aufrollen, aus der Wärmetauschermatte 4 ein Wärmetauscherpaket 8 gebildet werden. Beispielsweise kann die ebene Wärmetauschermatte 4 - wie in 3a gezeigt - möglichst dicht aufgerollt werden, so dass ein dicht gepacktes, insbesondere rundes, Wärmetauscherpaket 8 aus den rohrförmigen Mikrokanälen 2 entsteht. Das in dieser Weise erhaltene Wärmetauscherpaket 8 wird mit seinen einander gegenüberliegenden Stirnseiten 9, 10 und somit beidseitig in ein Epoxidkleberbad eingetaucht. Dadurch werden zwei stirnseitige Verklebungen des Wärmetauscherpakets 8 erhalten, welche die rohrförmigen Mikrokanäle 2 stoffschlüssig zusammenhalten. Auf diese Weise entsteht darüber hinaus auch eine Trennung zwischen einer inneren und einer äußeren Seite der rohrförmigen Mikrokanäle 2, die für einen ungemischten Wärmeaustausch von besonderer Wichtigkeit ist. Wichtig sind überdies auch die geometrischen Abstände der rohrförmigen Mikrokanäle 2 voneinander, die so gewählt werden, dass ein effizienter Wärmeübergang vom heißen Medium zum Kühlmedium erfolgen kann. Die Strömungsrichtung des heißen Mediums wurde in 3a durch einen Pfeil 11 symbolisiert. Das heiße Medium durchströmt während des Betriebs des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 somit die rohrförmigen Mikrokanäle 2. Die Anströmung des Kühlmediums erfolgt demgegenüber seitlich, so dass die Mikrokanäle 2 von dem Kühlmedium umströmt werden. Dieses wurde in 3a durch einen weiteren Pfeil 12 symbolisiert.
Im Bereich jeder der beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten 9, 10 können nach dem Aushärten der Verklebungen seitlich zwei radiale Nuten 6a, 6b eingebracht werden, in die jeweils ein Dichtungselement eingesetzt wird. 4 zeigt die Stirnseite 9 mit den darin eingebrachten radialen Nuten 6a, 6b und den in diesen angeordneten Dichtungselementen, die vorliegend als O-Ringe 7a, 7b ausgebildet sind. Diese O-Ringe 7a, 7b dienen dem Zweck, den Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 nach der Unterbringung in einem Wärmetauschergehäuse 5 wirksam gegenüber diesem abzudichten.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass das Kühlmedium durch die rohrförmigen Mikrokanäle 2 strömt, wohingegen die Anströmung des heißen Mediums seitlich erfolgt. Diese Situation ist in 3b dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Anströmung des heißen Mediums (wiederum durch den Pfeil 11 symbolisiert) seitlich erfolgt, wohingegen das Kühlmedium durch die rohrförmigen Mikrokanäle 2 hindurchströmt. Dieses wurde durch den Pfeil 12 symbolisiert. Diese Art der Anströmung des heißen Mediums eignet sich zum Beispiel für eine Verwendung des gewebten Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 zur Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine. Dabei wird der Stator der elektrischen Maschine von einem elektrisch nichtleitenden Kühlöl durchströmt. Dieses Kühlöl erwärmt sich bei der Durchströmung des Stators der elektrischen Maschine und bildet dadurch ein erwärmtes beziehungsweise heißes Medium, das mittels des gewebten Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 wirksam gekühlt werden kann, der stromabwärts des Stators der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das erwärmte Kühlöl umströmt die rohrförmigen Mikrokanäle 2 von außen, die ihrerseits von einem Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, durchströmt werden. Durch diese Maßnahme wird das zuvor von dem Stator erwärmte Kühlöl wirksam gekühlt. Durch die vorstehend beschriebene Anordnung kann auf einem sehr kleinen Bauraum eine wirksame Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine realisiert werden. Die Verlustleistung der elektrischen Maschine wird von dem erwärmten Kühlwasser über einen Fahrzeugkühler an die Umgebungsluft abgegeben.
5 zeigt den Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1, der in einem Wärmetauschergehäuse 5 einer Wärmetauscheinrichtung 100 untergebracht ist. Das Wärmetauschergehäuse 5 weist einen ersten Einlass 50 für das heiße Medium und einen zweiten Einlass 51 für das Kühlmedium auf. Das durch den zweiten Einlass 51 einströmende Kühlmedium durchströmt während des Betriebs der Wärmetauscheinrichtung 100 die rohrförmigen Mikrokanäle 2 des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1, die von dem durch den ersten Einlass 50 einströmenden heißen Medium umströmt werden. Die Strömung kann auch in umgekehrter Weise erfolgen, indem das heiße Medium durch den zweiten Einlass 51 einströmt und das Kühlmedium durch den ersten Einlass 50 einströmt. Dann umströmt das Kühlmedium die rohrförmigen Mikrokanäle 2, welche von dem heißen Medium durchströmt werden.
Mit Hilfe der in der oben beschriebenen Weise gewebten Wärmetauschermatten 4 und den daraus geformten Wärmetauscherpaketen 8 können grundsätzlich nahezu beliebig geformte Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1, insbesondere durch Aufrollen und/oder Falten zumindest einer Wärmetauschermatte 4 oder durch Anordnen mehrerer Wärmetauschermatten 4 übereinander, hergestellt werden. Der Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 kann dabei aus einem oder alternativ auch aus mehreren Wärmetauscherpaketen 8 hergestellt werden.
6 zeigt exemplarisch eine Schnittdarstellung eines in Rundkanalbauweise ausgeführten Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1, der insbesondere für eine Ladeluftkühlung vorgesehen ist. Die heiße Ladeluft strömt zentral in den runden, hohlzylindrisch geformten Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 ein. Die runde hohlzylindrische Form wird durch mehrere Wärmetauscherpakete 8 erhalten, die aus gewickelten Wärmetauschermatten 4 der oben beschriebenen Art bestehen. Die erhitzte Ladeluft strömt radial durch die Wärmetauscherpakete 8 des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1, deren rohrförmige Mikrokanäle 2 von dem Kühlmedium durchströmt werden.
Unter Bezugnahme auf 7 soll nachfolgend eine alternative Verklebungsmethode zur Herstellung des Wärmetauscherpakets 8 des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 näher erläutert werden. Ausgangspunkt bildet die in 2 dargestellte gewebte Wärmetauschermatte 4. Diese ebene Wärmetauschermatte 4, die aus den rohrförmigen Mikrokanälen 2 mit den Kettdrähten 3 gewebt ist, wird dabei zunächst ausgelegt. Anschließend wird an den einander gegenüberliegenden, sich in Längsrichtung erstreckenden Rändern jeweils eine Kleberaupe 13a, 13b, insbesondere eines Ein-Komponenten-Klebers, aufgebracht. Nachfolgend wird die Wärmetauschermatte 4 auf diesen Kleberaupen 13a, 13b aufgerollt, so dass aus der Wärmetauschermatte 4 ein Wärmetauscherpaket 8 gebildet wird. Dabei werden die einander gegenüberliegenden Ränder des Wärmetauscherpakets 8 miteinander verklebt und abgedichtet. Somit wird eine wirksame Abdichtung zwischen demjenigen Medium, welches die rohrförmigen Mikrokanäle 2 durchströmt, und demjenigen Medium, welches das Wärmetauscherpaket 8 quer anströmt und die Mikrokanäle 2 umströmt, erreicht.
Die gewebten Wärmetauschermatten 4 ermöglichen auch ganz unterschiedliche Ausgestaltungen von Wärmetauscherpaketen 8, die zumindest zwei Wärmetauschermatten 4a, 4b aufweisen. Dieses soll nachfolgend unter Bezugnahme auf 8 bis 10 näher erläutert werden.
8 zeigt ein Wärmetauscherpaket 8, welches zwei Wärmetauschermatten 4a, 4b aufweist, die in geeigneter Weise miteinander verbunden sind und insbesondere miteinander verklebt sein können. Die rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b der Wärmetauschermatten 4a, 4b erstecken sich dabei in einer ersten Richtung parallel zueinander Die zur Webverbindung der rohrförmigen Mikrokanäle 2a der ersten Wärmetauschermatte 4a verwendeten metallischen Kettdrähte 3a sind schematisch sehr stark vereinfacht dargestellt, um das grundlegende Verbindungsprinzip zu veranschaulichen. Die zur Webverbindung der rohrförmigen Mikrokanäle 2b der zweiten Wärmetauschermatte 4b verwendeten Kettdrähte wurden aus Vereinfachungsgründen in 8 nicht dargestellt. Das heiße Medium 11 durchströmt wiederum die rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b, während das Kühlmedium 12 die rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b in Querrichtung anströmt und nachfolgend umströmt. Die Kettdrähte 3a dienen dabei aus funktionaler Sicht auch dem Wärmetausch.
Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der in 8 gezeigten Variante durch eine größere Anzahl metallischer Kettdrähte 3a, die zum Verweben der rohrförmigen Mikrokanäle 2a der ersten Wärmetauschermatte 4a verwendet werden. Dadurch kann die effektive Wärmetauscherfläche, die durch die Kettdrähte 3a bereitgestellt wird, auf einfache Weise wirksam vergrößert werden. Die Anzahl der für die Herstellung der zweiten Wärmetauschermatte 4b verwendeten metallischen Kettdrähte (hier aus Vereinfachungsgründen ebenfalls nicht dargestellt) kann ebenfalls im Vergleich zu dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel vergrößert sein. Das heiße Medium 11 durchströmt wiederum die rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b, während das Kühlmedium 12 die rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b in Querrichtung anströmt und dadurch eine Kühlung bewirkt.
Unter Bezugnahme auf 10 ist dort ein Wärmetauscherpaket 8 gezeigt, bei dem die rohrförmigen Mikrokanäle 2a der ersten Wärmetauschermatte 4a und die rohrförmigen Mikrokanäle 2b der zweiten Wärmetauschermatte 4b orthogonal zueinander orientiert sind. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass der Winkel zwischen den rohrförmigen Mikrokanälen 2a der ersten Wärmetauschermatte 4a und den rohrförmigen Mikrokanälen 2b der zweiten Wärmetauschermatte 4b nicht zwingend 90° betragen muss. Dieser Winkel kann ganz allgemein > 0° und < 180° sein. Das heiße Medium 11a, 11b durchströmt wiederum die rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b der beiden Wärmetauschermatten 4a, 4b, während das Kühlmedium 12 die rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b in Querrichtung anströmt und nachfolgend umströmt. Diese Ausführungsform ermöglicht eine verbesserte Durchströmung der Mikrokanäle 2a, 2b mit dem heißen Medium 11a, 11b. Die Kettdrähte 3a, 3b zum Verweben der rohrförmigen Mikrokanäle 2a, 2b der beiden Wärmetauschermatten 4a, 4b wurden in 10 wiederum nur sehr stark vereinfacht in einer gemeinsamen Ebene dargestellt.
Durch stückweises Aufeinanderfalten der gewebten Wärmetauschermatten 4 sind insbesondere auch rechteckig geformte Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 herstellbar, die zum Beispiel als Leichtbau-Ersatz für herkömmliche Kühlmittel-Luft-Frontkühler in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
Unter Bezugnahme auf 11 soll nachfolgend ein Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 näher erläutert werden, der insbesondere als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Der Ladeluftkühler ist für eine Kühlung von Ladeluft für die Brennkraftmaschine vorgesehen.
Der Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 ist gewebt ausgeführt, wobei das im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebene Webverfahren zur Herstellung der Wärmetauschermatten 4 eingesetzt wird. Der Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 weist ein Wärmetauscherpaket 8 auf, das aus einer Anzahl n ≥ 2 von Wärmetauschermatten 4 gebildet ist, die aufeinander gefaltet sind. Je nach Länge der zur Verfügung stehenden Wärmetauschermatten 4 und/oder abhängig von der Größe des Wärmetauscherpakets 8 können zu dessen Herstellung eine oder mehrere Wärmetauschermatten 4 verwendet werden.
Die rohrförmigen Mikrokanäle 2 werden während des Betriebs des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers 1 von einer Verbrennungsluft, die das heiße Medium 11 bildet, durchströmt, die zuvor von einer Aufladeeinrichtung, insbesondere von einem Turbolader, verdichtet wurde, so dass die Verbrennungsluft die Ladeluft für die Brennkraftmaschine bildet. Der Mikrokanalbündel-Wärmetauscher 1 ist dabei als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet. Dabei wird Kühlluft als Kühlmedium 12 quer zu den rohrförmigen Mikrokanälen 2 geführt, die von der Verbrennungsluft durchströmt werden, so dass die nach dem Aufladen erwärmte Verbrennungsluft wirksam gekühlt werden kann.
Das Wärmetauscherpaket 8 erstreckt sich in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel durch zwei Seitenelemente 14a, 14b und ein Zwischenelement 15, das zwischen den beiden Seitenelementen 14a, 14b angeordnet ist, hindurch und ist vorzugsweise mit diesen verklebt. Die beiden Seitenelemente 14a, 14b sowie das Zwischenelement 15 sind plattenförmig ausgebildet und weisen eine zentrale Öffnung auf, durch die das Wärmetauscherpaket 8 bei der Montage als Ganzes hindurchgeführt wird, bevor das Verkleben des Wärmetauscherpakets 8 mit den beiden Seitenelementen 14a, 14b und dem Zwischenelement 15 erfolgt. Dadurch kann die Montage des Wärmetauscherpakets 8 auf sehr einfache Art und Weise erfolgen. Denn es ist insbesondere nicht mehr erforderlich, die rohrförmigen Mikrokanäle 2 einzeln durch entsprechende Öffnungen innerhalb der Seitenelemente 14a, 14b und des Zwischenelements 15 einzusetzen und darin festzulegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers (1) aus einer Anzahl n ≥ 2 von Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b), wobei - jede der Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) durch Bereitstellen einer Vielzahl rohrförmiger Mikrokanäle (2, 2a, 2b), Einbringen der Mikrokanäle (2, 2a, 2b) in eine Webvorrichtung und Verweben der rohrförmigen Mikrokanäle (2, 2a, 2b) mit einer Mehrzahl von Kettdrähten (3, 3a, 3b) in der Webvorrichtung erzeugt wird, und - zumindest ein Wärmetauscherpaket (8) des Mikrokanalbündel-Wärmetauschers (1) aus der Anzahl n ≥ 2 von Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) gebildet wird, wobei die Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) übereinander angeordnet werden und zumindest abschnittsweise miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) derart übereinander angeordnet werden, dass die rohrförmigen Mikrokanäle (2, 2a, 2b) benachbarter Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) einen Winkel miteinander einschließen, der größer als 0° und kleiner als 180° ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) miteinander verklebt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) derart übereinander angeordnet werden, dass sich die rohrförmigen Mikrokanäle (2, 2a, 2b) benachbarter Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) parallel zueinander erstrecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Mikrokanäle (2, 2a, 2b) während des Webprozesses in der Webvorrichtung doppelt von den Kettdrähten (3, 3a, 3b) umschlungen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anordnen mehrerer Wärmetauschermatten (4, 4a, 4b) übereinander ein dicht gepacktes Wärmetauscherpaket (8) aus rohrförmigen Mikrokanälen (2, 2a, 2b) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass rohrförmige Mikrokanäle (2, 2a, 2b) verwendet werden, die aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon, Polyetherketonketon oder Polyimid, gefertigt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass rohrförmige Mikrokanäle (2, 2a, 2b) verwendet werden, die aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Edelstahl, Titan oder Aluminium, gefertigt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass rohrförmige Mikrokanäle (2, 2a, 2b) verwendet werden, die einen Außendurchmesser zwischen 0,3 mm und 3 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2 mm, haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kettdrähte (3, 3a, 3b) verwendet werden, die eine Dicke von 50 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherpaket (8) in einem Wärmetauschergehäuse (5) untergebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich jeder der beiden Stirnseiten (9, 10) des Wärmetauscherpakets (8) seitlich zumindest eine radiale Nut (6a, 6b) eingebracht wird, in der ein Dichtungselement, insbesondere ein O-Ring (7a, 7b), angeordnet wird.
Verwendung eines Mikrokanalbündel-Wärmetauschers (1), der nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist, zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Stators der elektrischen Maschine, oder als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine.