DE102021206021A1

DE102021206021A1 - heat exchanger

Info

Publication number: DE102021206021A1
Application number: DE102021206021.8A
Authority: DE
Inventors: Richard Brümmer; Frank von Lützau; Jan Schultes; Thomas Strauss
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2022263180A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) für ein Brennstoffzellensystem (2) mit einem oberen Sammelkasten (4) und einem unteren Sammelkasten, zwischen denen stehende Rohre (5) angeordnet sind, die an ihrem oberen Ende dicht in zugehörigen Öffnungen (6) eines ersten Rohrbodens (7) aufgenommen sind.Um eine verbesserte Kühlung zu erreichen, ist an einer Außenmantelfläche (8) zumindest eines Rohres (5) zumindest ein Kanal (9) zur Wasserverteilung vorgesehen, und es ist unterhalb des ersten Rohrbodens (7) ein Verteiler (10) vorgesehen ist, der fluidisch mit dem zumindest einen Kanal (9) des zumindest einen Rohres (5) verbunden.The invention relates to a heat exchanger (1) for a fuel cell system (2) with an upper header tank (4) and a lower header tank, between which upright tubes (5) are arranged, which at their upper end seal in associated openings (6) of a first tube sheet (7).In order to achieve improved cooling, at least one channel (9) for water distribution is provided on an outer jacket surface (8) of at least one tube (5), and a distributor ( 10) is provided which is fluidically connected to the at least one channel (9) of the at least one tube (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Brennstoffzellensystem mit einem oberen Sammelkasten und einem unteren Sammelkasten, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem solchen, diese Brennstoffzelle temperierenden Wärmeübertrager. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem.The present invention relates to a heat exchanger for a fuel cell system with an upper header tank and a lower header tank, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a fuel cell system with at least one fuel cell and such a fuel cell temperature-controlled heat exchanger. The invention also relates to a motor vehicle with such a fuel cell system.

Verglichen mit einer herkömmlichen Motorkühlung einer Brennkraftmaschine hat eine Kühlung einer Brennstoffzelle deutlich mehr zu leisten. Bei niedrigeren Prozesstemperaturen müssen dabei deutlich höhere Energiemengen über ein Kühlmittel abgeführt werden, da es auch bei einem nur geringfügigen Überschreiten einer zulässigen Maximaltemperatur zu Schäden kommen kann. Generell gilt dabei, dass bei einer im Wesentlichen gleichen Fahrleistung in einem mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeug mit bis zu der doppelten Energiemenge als Abwärme gerechnet und über einen Kühlmittelkühler abgeführt werden muss. Verbunden mit einer im einem Brennstoffzellensystem erforderlichen, um ca. 10 bis 15 °C niedrigeren Kühlmitteltemperatur, sind entsprechende Leistungssteigerungen nur über vergrößerte Kühlmittelkühler beziehungsweise generell nur über vergrößerte Wärmeübertrager nicht darstellbar. Eine Steigerung einer Kühlleistung über einen höheren Kühlluftstrom erfordert wiederum überproportional mehr Antriebsleistung in einem Lüfter, wobei aufgrund einer fehlenden mechanischen Kopplung mit einer Kurbelwelle bei einem Brennstoffzellenfahrzeug ein Elektromotor zum Einsatz kommen muss, der für den höheren Kühlluftstrom wiederum deutlich mehr elektrische Energie verbraucht, was sich negativ auf eine zur Verfügung stehende Fahrzeugreichweite auswirkt. In beiden Fällen gilt zudem, dass Faktoren, wie ein begrenzter Bauraum, ein begrenztes Gewicht, ein vorgegebenes Design sowie auch die Herstellungskosten vergrößerten oder leistungsstärkeren Wärmeübertrager enge Grenzen setzen.Compared to conventional engine cooling of an internal combustion engine, cooling of a fuel cell has to do significantly more. At lower process temperatures, significantly higher amounts of energy have to be dissipated via a coolant, since damage can occur even if a permissible maximum temperature is only slightly exceeded. In general, with essentially the same driving performance in a motor vehicle operated with a fuel cell, up to twice the amount of energy must be calculated as waste heat and must be dissipated via a coolant cooler. Combined with a coolant temperature that is about 10 to 15 °C lower, which is required in a fuel cell system, corresponding increases in performance can only be achieved with larger coolant coolers or generally only with larger heat exchangers. An increase in cooling capacity via a higher cooling air flow in turn requires disproportionately more drive power in a fan, whereby due to a lack of mechanical coupling with a crankshaft in a fuel cell vehicle, an electric motor has to be used, which in turn consumes significantly more electrical energy for the higher cooling air flow, which is advantageous has a negative effect on an available vehicle range. In both cases, factors such as a limited installation space, a limited weight, a given design and also the manufacturing costs impose narrow limits on larger or more powerful heat exchangers.

Um beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern eine erhöhte Kühlleistung zu erzielen, ist es deshalb bekannt, eine direkte Kühlung des Wärmeübertragers durch Beaufschlagung mit Berieselungswasser und Erzeugen eines Verdunstungseffektes einzusetzen.In order, for example, to achieve an increased cooling capacity in heat exchangers known from the prior art, it is therefore known to use direct cooling of the heat exchanger by applying sprinkler water and generating an evaporation effect.

Aus der DE 10 2008 051 368 A1 ist ein Kühlsystem zur Übertragung eines Wärmestroms von einer Wärmequelle an eine durch einen Luftstrom gebildete Wärmesenke mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf bekannt, wobei der geschlossene Kühlmittelkreislauf einen mit der Wärmequelle in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme in den Kühlmittelkreislauf eintragenden ersten Wärmetauscher und einen mit der Wärmesenke in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf ausschleusenden, zweiten Wärmeübertrager umfasst sowie zusätzlich eine Adiabatik- bzw. Verdunstungsstufe mit mindestens einem Verdunstungswasser in den die Wärmesenke bildenden Luftstrom eintragenden Luftbefeuchter.From the DE 10 2008 051 368 A1 a cooling system for transferring a heat flow from a heat source to a heat sink formed by an air flow with a closed coolant circuit is known, the closed coolant circuit having a heat-transferring connection with the heat source and introducing heat into the coolant circuit, and a first heat exchanger with the heat sink in heat-transferring Related heat from the coolant circuit Ausschleusenden, second heat exchanger and additionally an adiabatic or evaporation stage with at least one evaporation water in the heat sink forming air flow entering humidifier.

Aus der DE 196 37 926 A1 ist eine Kühleinrichtung für einen Ladeluftkühler mit einem Flüssigkeitsbehälter zum Aufbewahren einer Kühlflüssigkeit und einer in Nachbarschaft der Kühlereinrichtung angeordneten Sprüheinrichtung bekannt, die eine Pumpe mit einer Pumpenleitung zum Transportieren der Kühlflüssigkeit zur Sprüheinrichtung aufweist. Über ein Rohr und Düsen wird dabei bei Bedarf Wasser auf eine in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs vordere Oberfläche eines Ladeluftkühlers gesprüht. Die Sprüheinrichtung erfordert dabei jedoch eine vergleichsweise aufwendige und mehrteilige Befestigung.From the DE 196 37 926 A1 discloses a cooling device for an intercooler with a liquid container for storing a cooling liquid and a spraying device arranged in the vicinity of the cooling device, which has a pump with a pump line for transporting the cooling liquid to the spraying device. If necessary, water is sprayed onto a front surface of an intercooler in the direction of travel of the motor vehicle via a pipe and nozzles. However, the spray device requires a comparatively complex and multi-part attachment.

Aus der DE 23 58 631 A1 ist eine ähnliche Sprüheinrichtung bekannt, mittels welcher ein eine Kühleinrichtung durchströmender Luftstrom mit Berieselungswasser beaufschlagt werden kann. Auch hier sind eine Pumpe, ein Vorratsbehälter und Düsen vorgesehen, die ein fein verteiltes Einspritzen des Berieselungswassers in den Luftstrom ermöglichen sollen. Die Fixierung der Düsen ist jedoch ebenfalls aufwendig gestaltet.From the DE 23 58 631 A1 a similar spray device is known, by means of which an air flow flowing through a cooling device can be subjected to sprinkler water. A pump, a reservoir and nozzles are also provided here, which are intended to enable finely divided injection of the sprinkler water into the air flow. However, fixing the nozzles is also complex.

Aus der DE 11 2007 001 422 B4 ist ein Kühler mit einem thermischen Übertragungsbauteil mit einer mit einem Kühlfluid zu besprühenden Hauptfläche bekannt, wobei das thermische Übertragungsbauteil folgende Komponenten umfasst: Einen ersten Kanal, der auf der Hauptfläche ausgebildet ist, ein zweiten Kanal, der den ersten Kanal schneidet, wobei der zweite Kanal auf der Hauptfläche ausgebildet ist und wobei der erste Kanal derart ausgebildet ist, dass er sich von einer Endfläche des thermischen Übertragungsbauteils zu einer anderen Endfläche erstreckt. Hierdurch kann zwar eine erhöhte Kühlleistung geschaffen werden, jedoch ebenfalls wiederum nur mit vergleichsweise hohem Konstruktionsaufwand und zusätzlichem Bauraumbedarf.From the DE 11 2007 001 422 B4 discloses a cooler having a thermal transmission component having a main surface to be sprayed with a cooling fluid, the thermal transmission component comprising the following components: a first channel formed on the main surface, a second channel intersecting the first channel, the second channel is formed on the main surface and wherein the first channel is formed to extend from one end surface of the thermal transmission member to another end surface. In this way, an increased cooling capacity can be created, but again only with a comparatively high design effort and additional space requirement.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte, zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.The present invention is therefore concerned with the problem of specifying an improved, at least one alternative embodiment for a heat exchanger of the generic type, which in particular overcomes the disadvantages known from the prior art.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by the subject matter of independent claim 1 solved. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Kühlleistung eines Wärmeübertragers deutlich zu steigern und diesen zugleich bauraumoptimiert und kostengünstig auszubilden, indem sowohl ein Verteiler für Berieselungswasser als auch entsprechende auf einer Außenmantelfläche eines Rohres des Wärmeübertragers eingebrachte Kanäle vorgesehen werden. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager für ein Brennstoffzellensystem besitzt dabei einen oberen Sammelkasten sowie einen unteren Sammelkasten sowie dazwischen stehend angeordnete Rohre, insbesondere Flachrohre, die an ihrem oberen Ende dicht in zugehörigen Öffnungen, insbesondere Durchzügen, eines ersten Rohrbodens aufgenommen sind. An einer Außenmantelfläche zumindest eines dieser Rohre ist dabei zumindest ein Kanal zu Wasserverteilung beziehungsweise Wasserbenetzung der Außenmantelfläche mit Berieselungswasser vorgesehen, wobei im Bereich des ersten Rohrbodens, insbesondere unterhalb desselben, ein Verteiler vorgesehen ist, der fluidisch mit dem zumindest einen Kanal des zumindest einen Rohres verbunden ist, wodurch Berieselungswasser aus dem Verteiler zu den einzelnen Kanälen an den Außenmantelflächen der Rohre geleitet und diese dadurch im Betrieb des Wärmeübertragers mit Berieselungswasser beaufschlagt werden können, wodurch ein Verdunstungseffekt und damit eine verbesserte Kühlleistung bei ansonsten gleich großem Kühler und gleich großem Kühlluftstrom erreicht werden kann. Die zum Verdampfen des Berieselungswassers benötigte Verdampfungsenthalpie wird dabei als Wärmeenergie der unmittelbaren Umgebung entnommen, die dadurch abkühlt. Die durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gewonnene Leistungssteigerung erfolgt dabei ohne Erhöhung einer Stirnfläche beziehungsweise generell einer Wärmeübertragungsfläche oder eines Luftmassenstroms, wodurch weder der Bauraumbedarf noch die Lüfterleistung wesentlich erhöht werden. Mit dem zumindest einen Kanal auf der zumindest einen Außenmantelfläche des zumindest einen Rohres kann eine vorzugsweise gleichmäßige Verteilung des Berieselungswassers über die Außenmantelfläche des Rohres erreicht werden, wodurch eine großflächige Verdunstung des Berieselungswassers und damit auch eine deutliche Leistungssteigerung des Wärmeübertragers erreicht werden können.The present invention is based on the general idea of significantly increasing the cooling capacity of a heat exchanger and at the same time designing it in a space-optimized and cost-effective manner by providing both a distributor for sprinkler water and corresponding channels introduced on an outer surface of a tube of the heat exchanger. The heat exchanger according to the invention for a fuel cell system has an upper header tank and a lower header tank as well as tubes arranged standing between them, in particular flat tubes, which are tightly accommodated at their upper end in associated openings, in particular passages, of a first tube sheet. At least one channel for water distribution or water wetting of the outer lateral surface with sprinkling water is provided on an outer lateral surface of at least one of these tubes, with a distributor being provided in the area of the first tube plate, in particular below it, which is fluidically connected to the at least one channel of the at least one tube is, whereby sprinkling water is conducted from the distributor to the individual channels on the outer surface of the pipes and these can thus be subjected to sprinkling water during operation of the heat exchanger, whereby an evaporation effect and thus an improved cooling capacity can be achieved with an otherwise equally large cooler and the same large cooling air flow . The enthalpy of vaporization required to vaporize the sprinkler water is taken from the immediate environment as thermal energy, which cools it down as a result. The increase in output achieved by the heat exchanger according to the invention takes place without increasing an end face or generally a heat transfer surface or an air mass flow, as a result of which neither the space requirement nor the fan output are significantly increased. With the at least one channel on the at least one outer lateral surface of the at least one pipe, a preferably uniform distribution of the sprinkler water over the outer lateral surface of the pipe can be achieved, whereby a large-area evaporation of the sprinkler water and thus also a significant increase in performance of the heat exchanger can be achieved.

Zweckmäßig sind die Rohre als Flachrohre ausgebildet, wobei der zumindest einen Kanal als Rinne oder als Sicke ausgebildet ist. Eine derartige Rinne beziehungsweise Sicke kann beispielsweise eine Falznut sein, sofern das Flachrohr beispielsweise als gefalztes Flachrohr ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, den ohnehin an dem Falzrohr vorhandenen Falz als Kanal zur Verteilung des Berieselungswassers auf der Außenmantelfläche des Flachrohrs zu nutzen, wodurch in diesem Fall rein theoretisch sogar bislang aus dem Stand der Technik bekannte gefalzte Flachrohre zu Realisierung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers verwendet werden können.The tubes are expediently designed as flat tubes, with the at least one channel being designed as a channel or as a bead. Such a groove or bead can be a folded groove, for example, if the flat tube is designed as a folded flat tube, for example. This makes it possible to use the fold that is already present on the folded pipe as a channel for distributing the sprinkler water on the outer lateral surface of the flat pipe, which means that in this case, in purely theoretical terms, folded flat pipes known from the prior art can be used to implement the heat exchanger according to the invention .

Weiterhin können die Rohre auch als Schweißrohr ausgebildet sein. Hierdurch ist es möglich, die an dem Schweißrohr vorhandene Sicke als Kanal zur Verteilung des Berieselungswassers auf der Außenmantelfläche des Flachrohrs zu nutzen, wodurch in diesem Fall rein theoretisch sogar bislang aus dem Stand der Technik bekannte geschweißte Flachrohre zu Realisierung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers verwendet werden können.Furthermore, the tubes can also be designed as welded tubes. This makes it possible to use the bead present on the welded tube as a channel for distributing the sprinkler water on the outer lateral surface of the flat tube, which means that in this case, purely theoretically, welded flat tubes known from the prior art can even be used to implement the heat exchanger according to the invention.

Zusätzlich oder alternativ zum Falz bzw. der Sicke können auch zusätzliche Kanäle ausgebildet werden, über die das Berieselungswasser verteilt werden kann. Dies gilt unabhängig von der Herstellungsart des Rohres und ist auch bei Rohren möglich, die sonst keinen Falz oder Sicke haben, beispielsweise extrudierten Rohren.In addition to or as an alternative to the fold or the bead, additional channels can also be formed, via which the sprinkler water can be distributed. This applies regardless of how the tube is manufactured and is also possible for tubes that otherwise have no fold or bead, for example extruded tubes.

Dabei ist selbstverständlich klar, dass zu einer besseren Verteilung des Berieselungswassers nicht nur der durch einen Falz gebildete Kanal eingesetzt werden kann, sondern weitere zusätzlich eingeprägte Kanäle, die mit dem durch den Falz gebildeten Kanal eine Verästelung bilden und dadurch eine großflächige Verteilung des Berieselungswassers über die Außenmantelfläche des Flachrohres und damit auch eine großflächige Verdunstung des Berieselungswassers und damit eine erhöhte Kühlleistung ermöglichen.It is of course clear that for a better distribution of the sprinkler water not only the channel formed by a fold can be used, but also other additionally embossed channels that branch out with the channel formed by the fold and thus a large-scale distribution of the sprinkler water over the outer jacket surface of the flat tube and thus also a large-scale evaporation of the sprinkler water and thus an increased cooling capacity.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kanal ausschließlich auf einer Breitseite zumindest eines Flachrohrs angeordnet, wobei ein Kanalgrund eine gegenüberliegende Breitseite berührt. Durch eine derartige Kanalgeometrie kann eine deutliche Vergrößerung der für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Fläche des Flachrohrs erreicht werden, wobei der Kanal aufgrund seiner vergleichsweise großen Tiefe eine große mit dem in dem Kanal strömenden Berieselungswasser in Kontakt stehende Fläche bietet, wodurch eine hohe Kühlleistung erzielbar ist. Durch einen vertieften Kanal kann ausreichend Verdunstungswasser in das Kühlernetz transportiert werden, das heißt, es kann mehr Wasser möglichst über die ganze Kanallänge bereitgestellt werden.In an advantageous development of the solution according to the invention, the duct is arranged exclusively on a broad side of at least one flat tube, with a duct base touching an opposite broad side. With such a channel geometry, a significant increase in the surface area of the flat tube available for heat transfer can be achieved, with the channel offering a large surface area in contact with the sprinkler water flowing in the channel due to its comparatively great depth, as a result of which a high cooling capacity can be achieved . Sufficient evaporation water can be transported into the cooling network through a deepened channel, which means that more water can be provided over the entire channel length if possible.

Zugleich kann mit einem derart ausgebildeten Kanal nicht nur eine Breitseite des Flachrohrs oberflächlich im Bereich des Kanals gekühlt werden, sondern eine besonders effektive Kühlung des Flachrohrs und zwar sowohl auf einer Breitseite als auch auf den vergleichsweise tiefen Kanalwänden. Durch die Berührung des Kanalgrundes mit der gegenüberliegenden Breitseite kann zugleich auch eine Teilung des Flachrohrs in unterschiedliche Längskanäle geschaffen werden, wobei beispielsweise eine Verlötung des Kanalgrundes mit einer Innenseite der gegenüberliegenden Breitseite zusätzlich eine Aussteifung des Flachrohrs bewirkt. Durch eine Verlötung des Kanalgrunds mit der gegenüberliegenden Breitseite ist durch das in dem Kanal vorhandene Berieselungswasser sogar eine lokale Kühlung der gegenüberliegenden Breitseite möglich.At the same time, with a channel designed in this way, not only can a broad side of the flat tube be cooled superficially in the area of the channel, but a particularly effective cooling of the Flat tube, both on a broad side and on the comparatively deep channel walls. By touching the bottom of the channel with the opposite broadside, the flat tube can also be divided into different longitudinal channels, for example soldering the bottom of the channel to an inside of the opposite broadside additionally causes the flat tube to be stiffened. By soldering the bottom of the channel to the opposite broadside, local cooling of the opposite broadside is even possible through the sprinkler water present in the channel.

Bei eine weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist auf beiden Breitseiten zumindest eines Flachrohres jeweils zumindest ein Kanal angeordnet, die sich mit ihrem jeweiligen Kanalgrund berühren. Hierdurch ist eine Unterteilung des Flachrohrs in unterschiedliche, durch jeweils zwei gegenüberliegende Kanäle voneinander getrennte Längskanäle in dem Flachrohr möglich, wobei aufgrund der beiden, das Flachrohr teilenden Kanäle eine vergleichsweise große Oberfläche zu Verdunstung von Berieselungswasser auf beiden Breitseiten geschaffen werden kann. Diese Lösung führt auch zu einem symmetrischen Rohr, und verhindert damit, dass die Rohre im Fertigungsprozess des Kühlerblocks ausgerichtet / sortiert bzw. orientiert werden müssen.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, at least one channel is arranged on each of the two broad sides of at least one flat tube and touches with its respective channel base. This allows the flat tube to be subdivided into different longitudinal channels in the flat tube, each separated by two opposite channels, with the two channels dividing the flat tube being able to create a comparatively large surface area for evaporation of sprinkling water on both broad sides. This solution also results in a symmetrical tube, eliminating the need to align/sort or orient the tubes in the radiator core manufacturing process.

Dieser Vorteil ist auch bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung zu finden, bei der jeweils mindestens ein Kanal auf jeder der Breitseiten zumindest eines Flachrohrs versetzt angeordnet ist, wobei ein Kanalgrund eine gegenüberliegende Breitseite berührt (10, Variante c)This advantage can also be found in a further advantageous development of the solution according to the invention, in which at least one channel is arranged offset on each of the broad sides of at least one flat tube, with a channel base touching an opposite broad side ( 10 , variant c)

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers weist der zumindest eine Kanal einen dreieckförmigen, einen trapezförmigen oder einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf. Dabei ist natürlich denkbar, dass sowohl die Breitseite beziehungsweise die Oberfläche an der Breitseite als auch die Kanalwände selbst noch Strukturierungen, beispielsweise Noppen oder Sicken, aufweisen, die eine nochmalige Vergrößerung der für die Verdunstung zur Verfügung stehenden Oberfläche bilden, wodurch eine nochmals verbesserte Verdunstung und damit eine nochmals verbesserte Kühlung erreicht werden können.In an advantageous development of the heat exchanger according to the invention, the at least one channel has a triangular, a trapezoidal or a segment-shaped cross section. It is of course conceivable that both the broad side or the surface on the broad side and the duct walls themselves also have structuring, for example knobs or beads, which form a further increase in the surface area available for evaporation, thereby further improving evaporation and so that even better cooling can be achieved.

Zweckmäßig ist der Verteiler als zweiter Rohrboden ausgebildet, der mit dem ersten Rohrboden einen Sammelraum für Berieselungswasser bildet. Eine derartige Variante mit einem „doppelten Rohrboden“ ermöglicht einen äußerst geringen Bauraum- und Materialbedarf, da für einen Teil des Verteilers bereits der erste Rohrboden mitverwendet werden kann. Hierbei ist auch eine gleichzeitige Herstellung des Verteilers mit der Herstellung des Wärmeübertragers, beispielsweise in einem gemeinsamen Lötprozess, denkbar, wodurch sich der erfindungsgemäße Wärmeübertrager mit nur marginal höheren Herstellungskosten produzieren lässt.The distributor is expediently designed as a second tube sheet which, together with the first tube sheet, forms a collection space for sprinkling water. Such a variant with a "double tube sheet" enables an extremely small installation space and material requirement, since the first tube sheet can already be used for part of the distributor. Simultaneous production of the distributor with the production of the heat exchanger, for example in a joint soldering process, is also conceivable, as a result of which the heat exchanger according to the invention can be produced with only marginally higher production costs.

Alternativ kann der Verteiler auch separat zum ersten Rohrboden ausgebildet und unterhalb und/oder in Durchströmungsrichtung vor den Rohren angeordnet sein. Alternatively, the distributor can also be designed separately from the first tube sheet and can be arranged below and/or in front of the tubes in the direction of flow.

Hierdurch ist es möglich, den Verteiler auch bei bekannten Wärmeübertragern nachzurüsten und dadurch deren Kühlleistung deutlich zu erhöhen. Insbesondere durch einen in Durchströmungsrichtung vor den Rohren beziehungsweise vor dem ersten Rohrboden angeordneten Verteiler kann eine bauraumoptimierte Lösung geschaffen werden, die bei geringfügig größerem Bauraumbedarf ein erhebliches Leistungssteigerungspotenzial hinsichtlich der Kühlleistung ermöglicht.This makes it possible to retrofit the distributor even in known heat exchangers and thereby significantly increase their cooling capacity. In particular, a space-optimized solution can be created by a distributor arranged in the direction of flow in front of the tubes or in front of the first tube sheet, which enables a significant increase in performance potential in terms of cooling capacity with a slightly larger space requirement.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Verteiler in der Art eines Rechens ausgebildet und greift mit Rechenzinken zwischen einzelne Rohre des Wärmeübertragers ein, wobei an den Rechenzinken Auslassöffnungen für Berieselungswasser angeordnet sind. Auch ein derart ausgebildeter Verteiler ist insbesondere für eine Nachrüstlösung besonders vorteilhaft, da er unabhängig vom eigentlichen Wärmeübertrager nachträglich an einen solchen angebaut werden kann, sofern zumindest ein Abstand zwischen zwei Rechenzinken des Verteilers mit einem Abstand zwischen zwei Rohren des Wärmeübertragers korreliert.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the distributor is designed in the manner of a rake and engages with rake tines between individual tubes of the heat exchanger, with outlet openings for sprinkler water being arranged on the rake tines. A distributor designed in this way is also particularly advantageous for a retrofit solution, since it can be retrofitted to one independently of the actual heat exchanger, provided at least one distance between two rake prongs of the distributor correlates with a distance between two tubes of the heat exchanger.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter mit dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem diese temperierenden Wärmeübertrager entsprechenden den vorherigen Absätzen anzugeben, wobei das Berieselungswasser zur Leistungssteigerung des Wärmeübertragers ein Verbrennungsprodukt der Brennstoffzelle ist. Hierdurch ist es möglich, auf separat mitzuführendes Berieselungswasser zumindest großenteils zu verzichten, da das zu Leistungssteigerung des Wärmeübertragers erforderliche Berieselungswasser von der Brennstoffzelle selbst bei deren Betrieb erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ kann selbstverständlich auch ein zumindest geringfügiger Tank zur Mitführung und Speicherung von Berieselungswasser vorgesehen werden, wobei die Nutzung des als Verbrennungsprodukt der Brennstoffzelle entstehenden Wassers als Berieselungswasser einen erheblichen Vorteil bietet.The present invention is also based on the general idea of specifying a fuel cell system with at least one fuel cell and a heat exchanger that regulates the temperature of the same as in the previous paragraphs, with the sprinkler water for increasing the performance of the heat exchanger being a combustion product of the fuel cell. This makes it possible, at least to a large extent, to do without sprinkler water to be carried along separately, since the sprinkler water required to increase the output of the heat exchanger is generated by the fuel cell itself during its operation. Additionally or alternatively, of course, at least a small tank for carrying along and storing sprinkling water can also be provided, with the use of the water produced as a combustion product of the fuel cell as sprinkling water offering a considerable advantage.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem auszustatten und dadurch ein bauraumoptimiertes, leistungsstarkes und mit deutlich vergrößerter Reichweite ausgestattetes Kraftfahrzeug zu erhalten.The present invention is also based on the general idea of equipping a motor vehicle with such a fuel cell system and thereby obtaining a motor vehicle that is space-optimized, powerful and has a significantly increased range.

Alles im allem kann mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager, mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug eine deutliche Steigerung einer Kühlleistung erreicht werden, ohne wesentlichen Einfluss auf einen luftseitigen Druckabfall, ohne wesentlich größeren Bauraumbedarf und ohne wesentliche Vergrößerung des Wärmeübertragers beziehungsweise Erhöhung einer Lüfterleistung.All in all, with the heat exchanger according to the invention, with the fuel cell system according to the invention and with the motor vehicle according to the invention, a significant increase in cooling capacity can be achieved without any significant influence on a pressure drop on the air side, without a significantly larger installation space requirement and without a significant enlargement of the heat exchanger or increase in fan capacity.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawing and from the associated description of the figures with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to identical or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch:

1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager im Bereich eines ersten Rohrbodens mit einem zweiten Rohrboden zu Bildung eines Verteilers,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem anderen zweiten Rohrboden,
3 eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verteilers mit einem schrägen Verteiler,
4 eine Darstellung wie in 3, jedoch mit einem mittig vertieften Verteiler,
5 eine Darstellung mit einem beidseitig angeordneten Verteiler,
6 eine Darstellung mit einem einseitig und stromauf des Wärmeübertragers angeordneten rechenartigen Verteiler,
7 bis 10 unterschiedliche Querschnittsformen durch ein Rohr eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.

They show, each schematically:

1 a sectional view through a heat exchanger according to the invention in the area of a first tube sheet with a second tube sheet to form a distributor,
2 a representation as in 1 , but with a different second tubesheet,
3 another possible embodiment of a distributor according to the invention with an inclined distributor,
4 a representation as in 3 , but with a centrally recessed distributor,
5 a representation with a distributor arranged on both sides,
6 a representation with a rake-like distributor arranged on one side and upstream of the heat exchanger,
7 until 10 different cross-sectional shapes through a tube of a heat exchanger according to the invention.

Entsprechenden 1 bis 6 weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 für ein Brennstoffzellensystem 2 eines Kraftfahrzeugs 3 einen oberen Sammelkasten 4 sowie einen nicht gezeigten unteren Sammelkasten auf, zwischen denen stehende Rohre 5 angeordnet sind, die an ihrem oberen Ende dicht in zugehörigen Öffnungen 6, beispielsweise Durchzügen, eines ersten Rohrbodens 7 aufgenommen sind. Die Rohre 5 können dabei beispielsweise als Flachrohre ausgebildet sein und an einer Außenmantelfläche 8 zumindest einen Kanal 9 (vgl. insbesondere auch die 7 bis 10) zur Wasserverteilung, insbesondere zur Verteilung von Berieselungswasser 11, aufweisen. Unterhalb des ersten Rohrbodens 7 ist dabei ein Verteiler 10 vorgesehen, der fluidisch mit dem zumindest einen Kanal 9 des zumindest einen Rohres 5 verbunden ist und in dem Berieselungswasser 11, beispielsweise als Verbrennungsprodukt einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 2 gesammelt und zur Steigerung der Kühlleistung während des Betriebs des Wärmeübertragers 1 über die zumindest eine Außenmantelfläche 8 zumindest eines Rohres 5 abgegeben wird. Hierdurch kann das Berieselungswasser 11 (vgl. 4) auf der zumindest einen Außenmantelfläche 8 verdunsten, wobei die hierfür erforderliche Energie der Wärme eines in den Rohren 5 strömenden Kühlmittels entzogen und dadurch das Kühlmittel in den Rohren 5 besser gekühlt wird.corresponding 1 until 6 a heat exchanger 1 according to the invention for a fuel cell system 2 of a motor vehicle 3 has an upper header tank 4 and a lower header tank (not shown), between which vertical tubes 5 are arranged, which at their upper end seal in associated openings 6, for example passages, of a first tube sheet 7 are recorded. The tubes 5 can be designed as flat tubes, for example, and can have at least one channel 9 on an outer lateral surface 8 (cf. in particular also the 7 until 10 ) for water distribution, in particular for the distribution of sprinkler water 11. A distributor 10 is provided below the first tube plate 7, which is fluidically connected to the at least one channel 9 of the at least one tube 5 and is collected in the sprinkler water 11, for example as a combustion product of a fuel cell of the fuel cell system 2, and to increase the cooling capacity during operation of the heat exchanger 1 via the at least one outer lateral surface 8 of at least one pipe 5. As a result, the sprinkler water 11 (cf. 4 ) evaporate on the at least one outer lateral surface 8, with the energy required for this being removed from the heat of a coolant flowing in the tubes 5 and the coolant in the tubes 5 being cooled better as a result.

Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 lassen sich so eine bauraumoptimierte Bauweise und zugleich eine gesteigerte Kühlleistung erreichen, ohne dass hierfür beispielsweise eine Lüfterleistung erhöht werden müsste, was insbesondere bei einem mit einer Brennstoffzelle angetriebenen Kraftfahrzeug 3 dazu führen würde, dass ein größerer beziehungsweise leistungsstärkerer Lüfter eingebaut werden müsste, der mehr elektrische Energie benötigt und dadurch die Reichweite des Kraftfahrzeugs 3 einschränkt. Zugleich kann bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 und dessen Anwendung in einem mit einem Brennstoffzellensystem 2 ausgestatten Kraftfahrzeug 3 das in der Brennstoffzelle als Verbrennungsprodukt entstehende Wasser als Berieselungswasser 11 zur verbesserten Kühlung herangezogen werden. Eine separate Wassermitfuhr ist dadurch entbehrlich, wodurch das Kraftfahrzeug 3 leichter ausgebildet werden kann.With the heat exchanger 1 according to the invention, a space-optimized design and at the same time an increased cooling capacity can be achieved without the fan power having to be increased for this purpose, for example, which would lead to a larger or more powerful fan being installed, especially in a motor vehicle 3 powered by a fuel cell would have, which requires more electrical energy and thereby the range of the motor vehicle 3 is limited. At the same time, with the heat exchanger 1 according to the invention and its use in a motor vehicle 3 equipped with a fuel cell system 2, the water produced as a combustion product in the fuel cell can be used as sprinkler water 11 for improved cooling. There is therefore no need to carry water separately, as a result of which the motor vehicle 3 can be designed to be lighter.

Die Rohre 5 können dabei als Flachrohre ausgebildet sein, wobei zumindest ein Kanal 9 als Rinne oder als Sicke ausgebildet ist. Der zumindest eine Kanal 9 kann auch im Bereich eines Falzes 12 (vgl. 1) oder einer Schweißnaht angeordnet sein, sofern das Rohr 5 beispielsweise als gefalztes Rohr oder als Schweißrohr ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, den durch den Falz 12 ohnehin vorhandenen Querschnitt als Kanal 9 zu nutzen.The tubes 5 can be in the form of flat tubes, with at least one channel 9 being in the form of a groove or a bead. The at least one channel 9 can also be in the area of a fold 12 (cf. 1 ) or a weld be arranged if the tube 5 is formed, for example, as a folded tube or as a welded tube. This makes it possible to use the cross section that is present anyway as a result of the fold 12 as a channel 9 .

Durch das über den Verteiler 10 über die zumindest eine Außenmantelfläche 8 des zumindest einen Rohres 9 verteilte Menge an Berieselungswasser 11 kann eine sowohl gleichmäßige Benetzung der Außenmantelfläche 8 aufgrund der vorzugsweise als Sicken beziehungsweise Rinnen ausgebildeten Kanäle 9 erfolgen und damit zugleich eine gleichmäßige Kühlung derselben durch das im Betrieb des Wärmeübertragers 1 verdunstenden Berieselungswasser 11. Selbstverständlich kann sich dabei eine Querschnittsgeometrie des zumindest einen Kanals 9 fertigungsbedingt, insbesondere im Hinblick auf ein Fertigungsverfahren für das jeweilige Rohr 5 ergeben, sodass der zumindest eine Kanal 9 beispielsweise im Wege eines Falzverfahrens, eines Schweißverfahrens oder Extrusionsverfahrens hergestellt wird.The amount of sprinkling water 11 distributed via the distributor 10 over the at least one outer lateral surface 8 of the at least one pipe 9 allows both a uniform wetting of the outer lateral surface 8 due to the channels 9, which are preferably designed as beads or channels, and thus at the same time a uniform cooling of the same by the sprinkling water 11 evaporating during operation of the heat exchanger 1. Of course, a cross-sectional geometry of the at least one duct 9 can result from production, in particular with regard to a manufacturing process for the respective pipe 5, so that the at least one duct 9 can be formed, for example, by means of a folding process, a welding process or Extrusion process is produced.

Die auf der Außenmantelseite 8 der Rohre 5 angebrachten Kanäle 9 bilden unterhalb von Rippen 13 (vgl. die 1 und 7) Verbindungen beziehungsweise Durchgänge, welche einen Wassertransport von Rippenbogen zu Rippenbogen entlang einer Längsrichtung 14 der Rohre 5 ermöglichen.The channels 9 attached to the outer jacket side 8 of the tubes 5 form below the ribs 13 (cf 1 and 7 ) Connections or passages which allow water to be transported from costal arch to costal arch along a longitudinal direction 14 of the tubes 5 .

Selbstverständlich können dabei zu einer verbesserten Verteilung des Berieselungswassers 11 auf der Außenmantelfläche 8 zumindest eines Rohres 5 nicht nur ein entsprechender Kanal 9 vorgesehen sein, sondern des weiteren auch Rippen 13 oder sonstige Vertiefungen beziehungsweise Erhebungen, die zum einen eine zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößern und zum anderen eine Lenkung des an den Rohren 5 ablaufenden Berieselungswassers 11 ermöglichen, wodurch eine verbesserte Verdunstung und dadurch eine verbesserte Kühlung erreicht werden können. Insbesondere soll eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Berieselungswassers 11 über die Rohrlänge und über alle Rohre 5 erfolgen.Of course, not only a corresponding channel 9 can be provided for an improved distribution of the sprinkler water 11 on the outer lateral surface 8 of at least one pipe 5, but also ribs 13 or other depressions or elevations, which on the one hand enlarge a surface area available for heat transfer and on the other hand allow the sprinkling water 11 running off the pipes 5 to be guided, as a result of which improved evaporation and thus improved cooling can be achieved. In particular, the sprinkling water 11 should be distributed as evenly as possible over the length of the pipe and over all the pipes 5 .

Betrachtet man nochmals den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 gemäß der 1, so ist bei diesem der Verteiler 10 als zweiter Rohrboden 17 ausgebildet, was den großen Vorteil bietet, dass prinzipiell keine aufwendige Änderung einer bisherigen Konstruktion erforderlich ist. Lediglich ein Anpassen der Außenmantelflächen 8 der Rohre 5 ist hierzu erforderlich. Einer Art doppelter Rohrboden in der Art eines zweites Rohrboden 17 ist auch bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 entsprechend der 2 dargestellt, wobei in diesen Fall der zweite Rohrboden 17 als dünnwandiges Blechteil ausgebildet ist, was einerseits eine stoffschlüssige Verbindung mit den Rohren 5 und dem ersten Rohrboden 7 ermöglicht, trotzdem jedoch im Vergleich zu dem Wärmeübertrager 1 gemäß der 1 einen für einen Luftstrom 18 zur Verfügung stehenden Querschnitt weniger stark einschränkt und dadurch die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche im Vergleich zu dem Wärmeübertrager 1 gemäß der 1 vergrößert.Considering again the heat exchanger 1 according to the invention 1 , so in this case the distributor 10 is designed as a second tube plate 17, which offers the great advantage that, in principle, no complex changes to a previous design are required. All that is required for this is an adjustment of the outer lateral surfaces 8 of the tubes 5 . A type of double tube sheet in the manner of a second tube sheet 17 is also in the embodiment of the heat exchanger 1 according to the invention 2 shown, in which case the second tube plate 17 is designed as a thin-walled sheet metal part, which on the one hand enables a material connection with the tubes 5 and the first tube plate 7, but nevertheless in comparison to the heat exchanger 1 according to FIG 1 a cross section available for an air flow 18 is less severely restricted and thereby the area available for heat transfer compared to the heat exchanger 1 according to FIG 1 enlarged.

Bei dem Verteiler 10 gemäß der 3 weist dieser einen schrägen Boden 19 auf, wodurch das jeweils zugehörige Rohr 5 in Durchströmungsrichtung 20 unterschiedlich stark mit Berieselungswasser 11 beaufschlagt werden kann. Das gemäß der 3 dargestellte Rohr 5 besitzt zumindest zwei sich über die Längsrichtung 14 erstreckende Kanäle 9, wobei der in Fahrtrichtung vordere und in Durchströmungsrichtung 20 hintere Kanal 9 mehr Berieselungswasser 11 führt.In the distributor 10 according to the 3 this has a sloping bottom 19, as a result of which the respectively associated pipe 5 can be subjected to varying degrees of sprinkler water 11 in the direction of flow 20. That according to 3 The pipe 5 shown has at least two channels 9 extending in the longitudinal direction 14, with the channel 9 at the front in the direction of travel and the channel 9 at the rear in the flow direction 20 carrying more sprinkler water 11.

Der Wärmeübertrager 1 gemäß der 4 besitzt einen Verteiler 10 mit einem abgewinkelten Boden 19, der an seinem Tiefpunkt mit dem Kanal 9 fluidleitend verbunden ist und über diesen Berieselungswasser 11 auf die Außenmantelfläche 8 des als Flachrohr ausgebildeten Rohres 5 ableitet.The heat exchanger 1 according to the 4 has a distributor 10 with an angled bottom 19 which is fluidly connected at its lowest point to the channel 9 and via this sprinkling water 11 derives onto the outer lateral surface 8 of the tube 5 designed as a flat tube.

Gemäß der 5 ist ein zweiteiliger Verteiler 10 dargestellt, der in Fahrtrichtung vor und hinter den Rohren 5 angeordnet ist. Ziel der Verteilervarianten ist, dass das Wasser aus dem Verteiler 10 möglichst vollständig in die Kanäle 9 und daraus dann über den Wärmeübertrager 1 verteilt wird, insbesondere soll auch möglichst unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit eine gleichmäßige Verteilung erreicht werden.According to the 5 a two-part distributor 10 is shown, which is arranged in front of and behind the tubes 5 in the direction of travel. The aim of the distributor variants is that the water from the distributor 10 is distributed as completely as possible into the channels 9 and from there via the heat exchanger 1, in particular a uniform distribution should also be achieved as independently as possible of the driving speed.

Die Idee bei der zweiteiligen Variante ist, dass die beiden Teile des Verteilers 10 mit sich in Durchströmungsrichtung 20 erstreckenden Rippen 24 am Rohr 5 einen Raum 23 für die Wasserverteilung bilden und das Berieselungswasser 11 aus diesem Raum 23 in die Kanäle 9 und von dort in Rohrlängsrichtung 14 über die Rohre 5 strömt. Die Rippen 24 laufen quer zum Kanal 9 und können sich über die komplette Breitseite 15 der Rohre 5 erstrecken. Ein Rippenbogen ist dabei eine Rundung einer wellenförmigen Rippe 24, das heißt der Teil der Rippe 24, der mit dem Rohr 5 verlötet wird. Wenn die Außenfläche des Rohrs 5 eben ist, und die Rippenbogen ebenfalls eben sind, bzw. keine Unterbrechungen ausweisen, wird eine über die ganze Kühlertiefe durchgängige Verlötung erreicht. Eine Wasserverteilung entlang der Rohre 5, das heißt in deren Längsrichtung, wäre dann nicht möglich. Mit dem Kanal 9 „unterhalb“ von Rippenbögen kann eine Öffnung zwischen Verteiler 10 und Breitseite 15 des Rohres 5 erreicht werden, wodurch das Berieselungswasser 11 ungestört von den jeweiligen Rippen 24 bzw. Rippenbögen in Rohrlängsrichtung entlang verteilt werden kann und idealerweise an jeder Rippe 24 ein kleiner Teil des Berieselungswassers 11 aus dem Kanal 9 austritt und über die Rohre 5 bzw. deren Breitseite 15a, 15b verteilt wird und damit zur Steigerung des Wärmeübertrags beiträgt.The idea behind the two-part variant is that the two parts of the distributor 10 with ribs 24 on the pipe 5 that extend in the direction of flow 20 form a space 23 for water distribution and the sprinkler water 11 from this space 23 into the channels 9 and from there in the longitudinal direction of the pipe 14 flows over the tubes 5. The ribs 24 run transversely to the channel 9 and can extend over the entire broad side 15 of the tubes 5. A rib curve is a rounding of a wavy rib 24, ie the part of the rib 24 that is soldered to the tube 5. If the outer surface of the tube 5 is flat and the rib bends are also flat or have no interruptions, a continuous soldering is achieved over the entire depth of the cooler. A distribution of water along the tubes 5, ie in their longitudinal direction, would then not be possible. With the channel 9 "below" the ribs, an opening can be achieved between the distributor 10 and the broad side 15 of the pipe 5, as a result of which the sprinkler water 11 can be distributed undisturbed from the respective ribs 24 or ribs in the longitudinal direction of the pipe and ideally at each rib 24 small part of the sprinkling water 11 emerges from the channel 9 and is distributed over the tubes 5 or their broad sides 15a, 15b and thus contributes to increasing the heat transfer.

In einer weiteren Ausgestaltung kann der Verteiler auch nur einseitig vor oder hinter den Rohren 5 angebracht sein. Zusätzlich kann auf der Gegenseite eine Abdeckung vorgesehen sein, um den Austritt des Berieselungswassers 11 zu vermeiden.In a further embodiment, the distributor can also be attached on one side only in front of or behind the tubes 5 . In addition, a cover can be provided on the opposite side in order to prevent the sprinkling water 11 from escaping.

Zusätzlich zu den im Rohr 5 angebrachten Kanälen 9 kann an der Rippe 24 (im Rippenbogen bzw. Radius) eine Umformung vorgenommen werden, die für einen Durchgang / Öffnung sorgt, durch die Berieselungswasser 11 von Rippenbogen zu Rippenbogen geleitet werden kann und damit ebenfalls eine Verteilung des Berieselungswassers 11 entlang der Längsrichtung 14 der Rohre 5 ermöglicht wird. Diese Aussparung kann entweder als Ausschnitt (stanzend / schneidend hergestellt) oder einfach nur durch Zurückprägen des entsprechenden Teils des Rippenbogens erfolgen. Die Einprägung kann während dem Walzprozess der Rippe 24 oder auch im Nachgang, vor dem Einbau der Rippe 24 in das Rohr 5 / Rippenpaket (Kühlernetz) erfolgen. Um die Leistungsfähigkeit der Rippe 24 zu erhalten bzw. eine Deformation der Kiemen in der Rippe 24 im Bereich dieser Umformung zu verhindern, muss bzw. kann das Kiemenfeld im Nahbereich dieser Umformung ggf. angepasst / für diese Umformung optimiert werden. Die Form der Aussparung / Einprägung kann V-förmig, trapezförmig, oder (kreis)bogenförmig sein. Durch insbesondere eingeprägte Rippen 24 kann die Wasserverteilung verbessert werden, insbesondere können dadurch die Kanäle 9 die an den Breitseiten 15a, 15b angeordnet sind, erweitert werden - bzw. dadurch die an beispielsweise Schweißrohren schon vorhandenen kleineren Kanäle soweit erweitert werden, dass diese in Kombination mit einer solchen Rippe 24 ausreichend große Querschnitte aufweisen, um die Wasserverteilung zu ermöglichenIn addition to the channels 9 installed in the tube 5, the rib 24 (in the costal arch or radius) can be reshaped, which provides a passage/opening through which the sprinkler water 11 can be directed from costal arch to costal arch, and thus also a distribution of the sprinkler water 11 along the longitudinal direction 14 of the tubes 5 is made possible. This recess can either be made as a cutout (made by punching/cutting) or simply by embossing the corresponding part of the costal arch. The embossing can take place during the rolling process of the rib 24 or afterwards, before the rib 24 is installed in the tube 5/rib package (radiator core). In order to maintain the performance of the rib 24 or to prevent a deformation of the gills in the rib 24 in the area of this reshaping, the gill field in the vicinity of this reshaping must or can be adjusted/optimized for this reshaping if necessary. The shape of the recess/embossing can be V-shaped, trapezoidal, or (circular) arc-shaped. The water distribution can be improved by embossed ribs 24 in particular, in particular the channels 9 that are arranged on the broad sides 15a, 15b can be expanded - or the smaller channels already present on welding pipes, for example, can be expanded to such an extent that they can be used in combination with such a rib 24 have sufficiently large cross-sections to enable water distribution

Gemäß der 6 wiederum ist ein Verteiler 10 gezeigt, der in der Art eines Rechens ausgebildet ist und mit Rechenzinken 21 in Zwischenräume zwischen zwei benachbarte Flachrohre eingreift, wobei an den Rechenzinken 21 Auslassöffnungen 22, beispielsweise auch Düsen, für Berieselungswasser 11 angeordnet sind. Je nach Fahrgeschwindigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs 3 erfolgt dabei eine mehr oder weniger großflächige Verteilung des Berieselungswassers 11 über die Außenmantelfläche 8.According to the 6 Again, a distributor 10 is shown, which is designed in the manner of a rake and engages with rake tines 21 in spaces between two adjacent flat tubes, outlet openings 22, for example nozzles, for sprinkling water 11 being arranged on the rake tines 21. Depending on the driving speed of the motor vehicle 3 equipped with the heat exchanger 1 according to the invention, the sprinkling water 11 is distributed over a more or less large area over the outer lateral surface 8.

Die zweiteilige Variante mit beidseitigem oder einseitigem Verteiler, bzw. dem Rechen sind Ausführungsformen, die sich evtl. nachrüsten lassen oder ohne eine grundlegende Änderung des Herstellprozesses als Add-On am Ende der bisherigen Fertigungslinie ergänzen lassen können. Die Ausführungsform mit dem Rechen ist ähnlich der skizzierten mit dem zweiteiligen Verteiler 10, nur, dass hier der Raum für die Wasserverteilung nicht ganz genau definiert ist.The two-part variant with a two-sided or one-sided distributor, or the rake, are embodiments that can be retrofitted or supplemented as an add-on at the end of the previous production line without fundamentally changing the manufacturing process. The embodiment with the rake is similar to that sketched with the two-part distributor 10, only that here the space for the water distribution is not exactly defined.

Der Verteiler 10 kann dabei prinzipiell separat zum Wärmeübertrager 1 ausgebildet sein, wie dies beispielsweise gemäß der 6 dargestellt ist, oder aber einen Bestandteil des Wärmeübertragers bilden, wie dies gemäß den 1 bis 4 dargestellt ist, wobei in letzteren Fall der Verteiler 10 zumindest bereichsweise stoffschlüssig mit dem Wärmeübertrager 1, beispielsweise mit dessen erstem Rohrboden 7 verbunden, insbesondere verlötet, ist.The distributor 10 can in principle be formed separately from the heat exchanger 1, as is the case, for example, according to FIG 6 is shown, or form part of the heat exchanger, as in accordance with 1 until 4 is shown, wherein in the latter case the distributor 10 is at least partially integrally connected to the heat exchanger 1, for example to its first tube sheet 7, in particular soldered.

Betrachtet man die einzelnen möglichen Querschnittsformen der Rohre 5 (vgl. die 7 bis 10), die keineswegs abschließend sind, so kann man gemäß der 7 einen Querschnitt eines Rohres 5 erkennen, bei dem der Kanal 9 ausschließlich auf einer Breitseite 15a angeordnet ist, wobei in diesen Fall ein Kanalgrund 16 die gegenüberliegende Breitseite 15b nicht berührt. Auf beiden Breitseiten 15a, 15b können jedoch Rippen 13 oder Sicken vorgesehen sein. Betrachtet man den Querschnitt des Rohres 5 gemäß der 8 so kann man dort zwei Kanäle 9 erkennen, die ebenfalls ausschließlich auf der Breitseite 15a angeordnet sind, deren Kanalgrund 16 jedoch die gegenüberliegenden Breitseite 15b berührt und beispielsweise sogar mit dieser stoffschlüssig verbunden ist, wodurch das als Flachrohr ausgebildete Rohr 5 in Längsrichtung 14, das heißt gemäß den 7 bis 10 orthogonal zur Blattebene, in mehrere Kammern aufgeteilt ist.Considering the individual possible cross-sectional shapes of the tubes 5 (cf 7 until 10 ), which are by no means conclusive, one can, according to the 7 recognize a cross-section of a tube 5 in which the channel 9 is arranged exclusively on a broad side 15a, in which case a channel base 16 does not touch the opposite broad side 15b. However, ribs 13 or beads can be provided on both broad sides 15a, 15b. Considering the cross section of the tube 5 according to FIG 8th So you can see two channels 9 there, which are also arranged exclusively on the broad side 15a, but whose channel base 16 touches the opposite broad side 15b and is even connected to it, for example, with a material fit, whereby the tube 5, which is designed as a flat tube, runs in the longitudinal direction 14, i.e according to the 7 until 10 orthogonal to the leaf plane, is divided into several chambers.

Betrachtet man die Querschnittsform des Rohres 5 gemäß der 9 als weiteres Ausführungsbeispiel, so kann man erkennen, dass bei diesem auf beiden Breitseiten 15a und 15b Kanäle 9 vorgesehen sind, die sich im Kanalgrund 16 mit dem gegenüberliegenden Kanalgrund 16 oder auch der Breitseite 15a, 15b berühren oder auch nicht berühren können. Im Beispiel berühren sie sich mit ihrem jeweiligen Kanalgrund 16 beim linken Kanal 9 nicht, jedoch beim rechten Kanal 9.Considering the cross-sectional shape of the tube 5 according to FIG 9 as a further exemplary embodiment, it can be seen that in this case channels 9 are provided on both broad sides 15a and 15b, which in the channel base 16 touch or cannot touch the opposite channel base 16 or the broad side 15a, 15b. In the example, they do not touch with their respective channel base 16 on the left channel 9, but on the right channel 9.

Eine Querschnittsform der Kanäle 9 gemäß den 7 bis 8 ist dabei ausgerundet ausgebildet, wobei selbstverständlich abweichend davon auch im Querschnitt rechteckige Kanäle 9 (vgl. 10b und 10c) oder trapezförmige Kanäle 9 (vgl. 10a) oder nicht gezeigte dreiecksförmige, halbrunde, ovalsegmentförmige Kanäle 9 vorgesehen werden können. Durch eine Breite des jeweiligen Kanals 9 beziehungsweise eine Tiefe des Kanalgrundes 16 lässt sich sowohl eine Führung des Berieselungswassers 11 entlang der Längsrichtung 14 des jeweiligen Rohres 5 als auch eine Verteilung desselben und damit eine Verdunstung desselben und indirekt damit wiederum eine Kühlleistung des Wärmeübertragers 1 beeinflussen.A cross-sectional shape of the channels 9 according to the 7 until 8th is rounded, whereby, of course, deviating from this, there are also channels 9 that are rectangular in cross-section (cf. 10b and 10c ) or trapezoidal channels 9 (cf. 10a) or triangular, semi-circular, oval segment-shaped channels 9 (not shown) can be provided. By a width of the respective channel 9 or a depth of the channel bottom 16 can be both a leadership of the sprinkling water 11 along the longitudinal direction 14 of the respective tube 5 and a distribution of the same and thus evaporation of the same and indi directly thereby in turn influence a cooling capacity of the heat exchanger 1 .

Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 für ein Brennstoffzellensystem 2 ist bei gleich großem Wärmeübertrager eine deutlich erhöhte Kühlleistung möglich, wobei insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem 2 zugleich noch das als Verbrennungsprodukt anfallende Wasser als Berieselungswasser 11 verwendet werden kann. Hierdurch lässt sich eine deutlich verbesserte Kühlung und damit Temperierung des mit einem derartigen Brennstoffzellensystem 2 ausgestatteten Kraftfahrzeugs 3 erreichen.With the heat exchanger 1 according to the invention for a fuel cell system 2, a significantly increased cooling capacity is possible with the same size heat exchanger, with the water occurring as a combustion product being able to be used as sprinkling water 11, particularly in a fuel cell system 2. As a result, significantly improved cooling and thus temperature control of the motor vehicle 3 equipped with such a fuel cell system 2 can be achieved.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims

Heat exchanger (1) for a fuel cell system (2) with an upper header tank (4) and a lower header tank, between which upright tubes (5) are arranged, which at their upper end seal in associated openings (6) in a first tube plate (7). are accommodated, characterized in that - that at least one channel (9) for distributing sprinkling water (11) is provided on an outer lateral surface (8) of at least one tube (5), - that below the first tube plate (7) a distributor (10) is provided which is fluidly connected to the at least one channel (9) of the at least one tube (5).

heat exchanger claim 1 , characterized in that the tubes (5) are designed as flat tubes, wherein the at least one channel (9) is designed as a groove or bead.

heat exchanger claim 2 , characterized in that the channel (9) is arranged exclusively on a broad side (15a) of at least one flat tube, with a channel base (16) touching an opposite broad side (15b).

heat exchanger claim 2 , characterized in that at least one channel (9) is arranged on each of the two broad sides (15a, 15b) of at least one tube (5) and touches each other with their respective channel base (16).

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that at least one channel (9) has a triangular, an oval segment, a trapezoidal or a segment of a circle cross section.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the distributor (10) is designed as a second tube sheet (17) which, together with the first tube sheet (7), forms a collecting space for sprinkling water (11).

Heat exchanger according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the distributor (10) is formed separately from the first tube sheet (7) and is arranged below the same.

Heat exchanger according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the distributor (10) is formed separately from the first tube plate (7) and is arranged in the direction of flow (20) in front of or behind the tubes (5).

heat exchanger claim 8 , characterized in that the distributor (10) is designed in the manner of a rake and engages between the individual tubes (5) with rake tines (21), outlet openings (22) for sprinkling water (11) being arranged on the rake tines (21). .

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the distributor (10) is materially connected to the heat exchanger (1) at least in certain areas.

Fuel cell system (2) with at least one fuel cell and a heat exchanger (1) that regulates the temperature thereof according to one of the preceding claims, wherein the sprinkling water (11) is a combustion product of the fuel cell.

Motor vehicle (3) with a fuel cell system (2). claim 11 .