DE102022113854A1

DE102022113854A1 - Wärmeübertrager für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022113854A1
Application number: DE102022113854.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nitsche; Cliff Pountney; Igor Golberg
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-06-01
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2023-12-07
Also published as: US20230392869A1; CN117146614A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (12) mit einem Gehäuse (32) und darin in einem Stapel (38) angeordneten Kernelementen (10). Durch die Kernelemente (10) verläuft ein Strömungspfad für ein erstes Fluid (18) von einer Gehäuseeintrittsöffnung (34) zu einer Gehäuseaustrittsöffnung (36). Die Kernelemente (10) sind gegenüber der Gehäuseeintrittsöffnung (34) und der Gehäuseaustrittsöffnung (36) alle in dieselbe Richtung angestellt.Die Erfindung betrifft ferner eine Wärmeübertrageranordnung (56) mit dem Wärmeübertrager (12) und ein Fahrzeug (44) mit der Wärmeübertrageranordnung (56).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, eine Wärmeübertrageranordnung und ein Fahrzeug mit einem Wärmeübertrager oder einer Wärmeübertrageranordnung.
Auf dem technischen Gebiet der Wärmeübertrager sind vielfältige technische Lösungen bekannt. Diese kommen in unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz, beispielsweise in der Energietechnik, der Gebäudetechnik, in Haushaltsgeräten oder in Fahrzeugen.
Beispielsweise offenbart die EP 2 947 411 A1 einen Wärmeübertrager für eine Klimaanlage mit einem plattenförmigen und im Wesentlichen rechteckigen Kernelement, das zur Leitung eines Kühlmittels eine Vielzahl von Rippen umfasst. Die Rippen sind gegenüber einer Ein- und Auslassöffnung des Kernelements winklig angestellt.
Die JP 2004 069228 A beschreibt einen ähnlichen Wärmeübertrager, der für ein Fahrzeug ausgebildet ist.
Aus der US 2022/0042690 A1 geht ein Wärmeübertrager für ein Lüftungsgerät hervor. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Kernelementen, die vertikal über einander und innerhalb einer Ebene angeordnet sind.
Die US 9,982,898 B2 beschreibt ein Klimagerät für Innenräume, das beispielsweise an einer Wand montiert werden kann. Das Klimagerät umfasst einen Wärmeübertrager mit gegenüber einem Gebläse V-förmig angestellten Kernelementen.
Schließlich offenbart die EP 0 020 375 B1 einen Wärmeübertrager für ein Fahrzeug, der mehrere Wärmeübertragerkerne umfasst. Die Wärmeübertragerkerne sind in einer V-Konfiguration angeordnet, um eine vergrößerte Frontoberfläche bereitzustellen. Hierzu sind Luftführungsrippen, mittels derer frontal einströmende Luft durch die Schenkel der V-förmigen Struktur geführt werden kann, gegenüber der frontalen Eingangsluftströmung abgewinkelt. Entsprechend muss die frontal einströmende Luft innerhalb des Wärmeübertragers umgeleitet werden, um durch die Schenkel der V-förmigen Struktur strömen zu können.
Im Fahrzeugbereich haben sich über die Jahre Wärmeübertrager, insbesondere in einer Wärmeübertrageranordnung zur Motorkühlung, zum Standard entwickelt. Solche bekannten Wärmeübertrageranordnungen umfassen ein Kernelement, das von Luft während der Fahrt durchströmbar ist und das zusätzlich, von der Luft getrennt, eine zu kühlende Flüssigkeit führen kann. Zur Kühlung im Stand oder bei langsamer Fahrt ist hinter dem Kernelement, zum Motorraum hin, häufig ein Gebläse angeordnet, um durch Saugbetrieb stets einen ausreichend großen Luftstrom durch den Wärmeübertrager zu ermöglichen.
Als problematisch erweist sich jedoch die relativ geringe Temperaturdifferenz zwischen der einströmenden Umgebungsluft und der zu kühlenden Flüssigkeit bei zugleich großer abzuführender Wärmemenge aus der zu kühlenden Flüssigkeit. Daher wird ein großer Volumenstrom an Umgebungsluft benötigt und eine entsprechend große Kühleroberfläche, die mit der Luft in Kontakt kommt. Dies wird konventionell durch eine große Frontfläche des Kernelements erreicht. Allerdings übersteigt die erforderliche Frontfläche häufig den zur Verfügung stehenden Bauraum im Fahrzeug, denn die Fahrzeughöhe ist durch das technische Gesamtkonzept des Fahrzeugs begrenzt und muss neben der Kühlung noch für andere funktionale und ästhetische Anforderungen ausgenutzt werden. Zudem ergibt sich bei Kernelementen mit großer Frontfläche auch der Bedarf an einem entsprechend groß dimensionierten Gebläse oder mehreren nebeneinander angeordneten Gebläsen, was neben einem zusätzlichem Bauraumbedarf auch die Effizienz des Fahrzeugs herabsetzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager für ein Fahrzeug vorzuschlagen, der eine hohe Wärmeübertragungsleistung bei kleinem Bauraumbedarf erzeugen kann und der effizient realisierbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1, 13 und 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und weiterhin aus der vorliegenden Offenbarung als Ganzes.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, umfassend:

- ein Gehäuse mit einer Wärmeübertrager-Einströmebene und einer gegenüberliegenden Wärmeübertrager-Ausströmebene, zwischen denen sich ein Strömungspfad für ein erstes Fluid erstreckt; und
- wenigstens zwei übereinander in einem Stapel angeordnete Kernelemente, jeweils mit einer Kern-Einströmebene und einer gegenüberliegenden Kern-Ausströmebene, die im Strömungspfad für das erste Fluid liegen, wobei die Kernelemente von einem zweiten Fluid durchströmbar sind, sodass unter stofflicher Trennung von dem Strömungspfad für das erste Fluid eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid ermöglicht wird; wobei
- die Kern-Einströmebenen und die Kern-Ausströmebenen der Kernelemente relativ zur Wärmeübertrager-Einströmebene und Wärmeübertrager-Ausströmebene geneigt sind.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Neigungswinkel der Kern-Einströmebene und der Kern-Ausströmebene wenigstens zweier benachbarter Kernelemente des Stapels in dieselbe Richtung ausgebildet ist.
Mit anderen Worten sind wenigstens zwei innerhalb des Stapels direkt übereinander angeordnete Kernelemente in gleicher Weise gegenüber einer Gehäuseeintrittsöffnung angestellt.
Dies bietet den Vorteil, dass eine Oberfläche der Kernelemente bzw. die Summe der Oberflächen der Kernelemente, die mit dem einströmenden ersten Fluid als erstes in Kontakt kommt, bei konstanter Größe der Wärmeübertrager-Einströmebene sehr viel größer dimensioniert werden kann, als es bei Kernelementen konventioneller Wärmeübertrager der Falls ist, die nicht gemäß der Erfindung in dieselbe Richtung geneigt sind. Dies wird durch die erfindungsgemäße Neigung der Kernelemente in dieselbe Richtung ermöglicht, wodurch, bei konstantem Bauraumbedarf in Stapelungsrichtung und verglichen mit einer konventionellen Anordnung der Kernelemente, eine deutlich höhere Anzahl von Kernelementen in sehr dichter Packung innerhalb des Stapels angeordnet werden kann. Die Gesamtoberfläche der Kernelemente, die als erstes mit dem einströmenden ersten Fluid in Kontakt kommt, kann so signifikant nach oben skaliert werden und insbesondere ein Vielfaches der Fläche der Wärmeübertrager-Einströmebene betragen. Mit anderen Worten verringert sich der erforderliche Bauraum in Stapelungsrichtung, wenn bei einem konventionellen Wärmeübertrager die vorhandene Anzahl von Kernelementen erfindungsgemäß in dieselbe Richtung geneigt angeordnet wird. Hierbei nutzt die Erfindung den Effekt aus, dass sich die Erstreckungen aller Kernelemente in Stapelungsrichtung addieren, sodass bereits ein kleiner Neigungswinkel zu einer großen Einsparung beim erforderlichen Bauraum in Stapelungsrichtung führt. Da sich die Erstreckungen der Kernelemente quer zur Stapelungsrichtung nicht addieren, führt der Neigungswinkel nicht zu einer relevanten Erhöhung des erforderlichen Bauraums quer zur Stapelungsrichtung. Bereits ein kleiner Neigungswinkel führt somit zu einer großen Einsparung beim erforderlichen Bauraum insgesamt. Die Menge an Kernelementen lässt sich dabei problemlos skalieren und auf die benötigte Wärmeübertragungsleistung und den verfügbaren Bauraum anpassen. Auf diese Weise lässt sich mit dem Wärmeübertrager der Erfindung eine äußerst hohe bauraumbezogene Wärmeübertragungsleistung erreichen. Der Wärmeübertrager der Erfindung ist durch all dies sehr kompakt, effizient und flexibel. Die hohe bauraumbezogene Wärmeübertragungsleistung kann insbesondere auch bei geringen Temperaturunterschieden des ersten und zweiten Fluids („inlet temperature difference (ITD)“) erreicht werden. Da jedes Kernelement als erstes mit dem einströmenden ersten Fluid in Kontakt kommt (bspw. „erste Luft sieht“) liegt ein maximaler ITD an jedem Kernelement vor.
Es ist zur bestmöglichen Ausnutzung dieser Effekte bevorzugt, dass alle Kernelemente in dieselbe Richtung geneigt sind.
Der Wärmeübertrager (auch „heat exchanger (HEx)“ genannt) der Erfindung eignet sich insbesondere für Fahrzeuge, ist aber grundsätzlich auch vorteilhaft in anderen Bereichen einsetzbar, insbesondere wenn dort eine hohe bauraumbezogene Wärmeübertragungsleistung bei geringer Temperaturdifferenz der wärmeübertragenden Fluide gewünscht ist.
Das Gehäuse des Wärmeübertragers der Erfindung ist teilweise offen ausgeführt, damit das erste Fluid über die Wärmeübertrager-Einströmebene in den Wärmeübertrager einströmen und über die Wärmeübertrager-Ausströmebene aus diesem ausströmen kann. Rein beispielhaft kann das Gehäuse durch zwei gegenüberliegende Wände, vorzugsweise Bleche, gebildet sein, zwischen denen sich die Wärmeübertrager-Einströmebene und die Wärmeübertrager-Ausströmebene erstrecken und zwischen denen die Kernelemente angeordnet sind. Ein solches Gehäuse kann auch als „offener“ Rahmen bezeichnet werden. Vorzugsweise sind die Kernelemente an wenigstens einer Wand befestigt, vorzugsweise an beiden Wänden. Besonders bevorzugt bilden die Wände auch eine Schnittstelle, über die das zweite Fluid durch die Kernelemente strömen kann. Zu diesem Zweck können die Wände auch eine kastenartige Form aufweisen (auch als „end tank“ bezeichnet), in die das zweite Fluid strömen kann, um dann von dort aus in die Kernelemente zu fließen. Das Gehäuse kann auch zusätzliche Wände aufweisen und beispielsweise einen um den Stapel von Kernelementen herumlaufenden bzw. „geschlossenen“ Rahmen bilden.
Die Wärmeübertrager-Einströmebene und die Wärmeübertrager-Ausströmebene bezeichnen jeweils einen größtmöglichen Strömungsquerschnitt für das erste Fluid, über den das erste Fluid in das Gehäuse eintreten bzw. aus diesem austreten kann. Bevorzugt kann die Wärmeübertrager-Einströmebene als Schnittmenge einer Projektion der Kernelemente auf die Gehäuseeintrittsöffnung mit dazu lotrechten Projektionen der die Gehäuseeintrittsöffnung ganz oder teilweise umgebenen Strukturelemente des Gehäuses betrachtet werden. Entsprechend kann die Wärmeübertrager-Ausströmebene bevorzugt als Schnittmenge der Projektion der Kernelemente auf eine Gehäuseaustrittsöffnung mit dazu lotrechten Projektionen der die Gehäuseaustrittsöffnung ganz oder teilweise umgebenen Strukturelemente des Gehäuses betrachtet werden. Die Wärmeübertrager-Einströmebene und die Wärmeübertrager-Ausströmebene liegen einander vorzugsweise in dem Sinne gegenüber, dass ihre lotrechten Projektionen zumindest abschnittsweise mit der jeweils anderen Ebene überlappen. Bevorzugt sind die Wärmeübertrager-Einströmebene und die Wärmeübertrager-Ausströmebene im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Das erste Fluid kann bspw. ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Gemisch sein. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Fluid um Luft, besonders bevorzugt Umgebungsluft. Das zweite Fluid kann ebenfalls ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Gemisch sein. Bevorzugt handelt es sich bei dem zweiten Fluid um eine Flüssigkeit, besonders bevorzugt eine zu kühlende Flüssigkeit wie etwa Wasser, Kühlwassergemisch oder Öl.
Vorzugsweise umfasst der Stapel eine Vielzahl übereinander angeordneter Kernelemente, bspw. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder mehr Kernelemente. Die konkrete Anzahl bestimmt sich insbesondere nach der erforderlichen Wärmeübertragungsleistung und dem verfügbaren Bauraum im konkreten Anwendungsfall und kann durch den Fachmann ausgelegt werden.
Die Kernelemente können auch als „heat exchanger cores“ bzw. „HEx cores“ bezeichnet werden. Vorzugsweise sind diese alle baugleich ausgebildet. Vorzugsweise kommen bekannte bzw. konventionelle Kernelemente zum Einsatz, wie sie etwa von Frontkühlern bei Automobilen bekannt sind, die dann erfindungsgemäß angeordnet werden. Vorzugsweise umfasst ein Kernelement rohrartige Leitungsabschnitte für das zweite Fluid und zwischen diesen angeordnete, vorzugsweise quer dazu verlaufende, Strömungspassagen für das erste Fluid. Die Strömungspassagen können bspw. durch zwischen den rohrartigen Leitungsabschnitten angeordnete Trennelemente, wie Rippen oder Lamellen (auch „fins“ genannt), realisiert werden.
Die Kern-Einströmebene und die Kern-Ausströmebene bezeichnen jeweils einen größtmöglichen Strömungsquerschnitt für das erste Fluid, über den das erste Fluid in das Kernelement eintreten bzw. aus diesem austreten kann. Bevorzugt können sie als über eine Eintritts- bzw. Austrittsseite des Kernelements gespannte größtmögliche Hüllfläche betrachtet werden. Die Kern-Einströmebene und die Kern-Ausströmebene eines Kernelements liegen einander vorzugsweise in dem Sinne gegenüber, dass ihre lotrechten Projektionen zumindest abschnittsweise mit der jeweils anderen Ebene überlappen. Bevorzugt sind die Kern-Einströmebene und die Kern-Ausströmebene eines Kernelements im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Der Strömungspfad für das erste Fluid verläuft entsprechend über die Wärmeübertrager-Einströmebene in den Wärmeübertrager und tritt über die Kern-Einströmebenen in die jeweiligen Kernelemente ein. Dann verläuft der Strömungspfad für das erste Fluid durch die Strömungspassagen der Kernelemente und tritt über die Kern-Ausströmebenen aus dem jeweiligen Kernelement aus. Dann verlässt der Strömungspfad für das erste Fluid den Wärmeübertrager über die Wärmeübertrager-Ausströmebene. Der Strömungspfad für das erste Fluid verläuft über den Wärmeübertrager insgesamt bevorzugt im Wesentlichen linear. Dabei erfährt der Strömungspfad für das erste Fluid innerhalb des Wärmeübertragers, über die Kernelemente, eine temporäre Aufteilung in separate Strömungspfade durch die jeweiligen Kernelemente bzw. deren Strömungspassagen. Ferner kommt es über die Kernelemente, infolge deren Neigungswinkel, zu einem vertikalen Versatz des Strömungspfads, der mit dem Grad der Neigung der Kernelemente korrespondiert.
Das zweite Fluid kann beispielsweise quer zum Strömungspfad für das erste Fluid durch die Kernelemente fließen, vorzugsweise durch die rohrartigen Leitungsabschnitte für das zweite Fluid. Da keine fluidtechnische Verbindung zwischen den Strömungspassagen für das erste Fluid und den rohrartigen Leitungsabschnitten für das zweite Fluid besteht, können das erste und zweite Fluid lediglich Wärme aneinander übertragen, sich aber nicht stofflich vermischen.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass der Neigungswinkel der benachbarten Kernelemente denselben Winkelbetrag aufweist. Mit anderen Worten sind die benachbarten Kernelemente zueinander parallel angeordnet bzw. parallel übereinandergestapelt.
Dies ermöglicht eine besonders dichte Packung der Kernelemente im Stapel, wodurch die Summe der Oberflächen der Kernelemente, die mit dem einströmenden ersten Fluid in Kontakt kommt, bei konstanter Größe der Wärmeübertrager-Einströmebene maximiert werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass der Winkelbetrag des Neigungswinkels größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Rein zur besseren Veranschaulichung werden zunächst eine Höhenrichtung, eine Tiefenrichtung und eine Breitenrichtung des Stapels exemplarisch und für die Erörterung zweckmäßig als kartesisches Koordinatensystem definiert. Die Höhenrichtung entspricht einer Richtung entlang den übereinander gestapelten Kernelementen bzw. der Stapelungsrichtung. Die Tiefenrichtung entspricht einer Richtung von der Wärmeübertrager-Einströmebene zur Wärmeübertrager-Ausströmebene bzw. einer Hauptrichtung des Strömungspfads für das erste Fluid. Die Breitenrichtung entspricht einer Richtung, in der sich die Kernelemente zwischen den Wänden des Gehäuses erstrecken, bzw. einer Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids. Die Definition der Richtungen kann aus Gründen der Anschaulichkeit auch für das Gehäuse entsprechend übernommen werden.
Für die einzelnen Kernelemente werden, ebenfalls rein zur besseren Veranschaulichung exemplarisch und für die Erörterung zweckmäßig, eine Höhe, Breite und Tiefe definiert, ebenfalls im Sinne eines kartesischen Koordinatensystems. Die Tiefe eines Kernelements entspricht dessen Außenabmessung in Hauptrichtung des Strömungspfads für das erste Fluid bzw. entlang den Strömungspassagen. Die Breite eines Kernelements entspricht dessen Außenabmessung in Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids bzw. entlang den rohrartigen Leitungsabschnitten. Die Höhe eines Kernelements entspricht schließlich dessen Außenabmessung senkrecht zu Tiefe und Breite, bspw. entlang mehrerer abwechselnd übereinander angeordneter Ebenen von Strömungspassagen und Ebenen von rohrartigen Leitungsabschnitten.
Beträgt der oben genannte Neigungswinkel 0°, so entspricht die Erstreckung eines Kernelements in Höhenrichtung seiner Höhe, so dass kein erfinderischer Effekt auftritt. Beträgt der oben genannte Neigungswinkel 90°, so entspricht die Erstreckung des Kernelements in Höhenrichtung seiner Tiefe. Diese Ausführungsform fällt in den Bereich der Erfindung und beansprucht darin für das Kernelement einen maximalen Bauraum in der Tiefenrichtung, welcher der Höhe des Kernelements entspricht. In dem bevorzugten Bereich zwischen 0° und 90° entspricht, vereinfacht ausgedrückt, die Erstreckung des Kernelements in Höhenrichtung dem Kosinus des Neigungswinkels multiplizier mit der Höhe des Kernelements und die Erstreckung des Kernelements in Tiefenrichtung entspricht dem Sinus des Neigungswinkels multipliziert mit der Höhe des Kernelements (unter Vernachlässigung der Tiefe des Kernelements in der Nähe von 0° und 90°).
Da sich die Erstreckungen aller Kernelemente in Höhenrichtung über den Stabel addieren und die Erstreckungen der Kernelemente sich in Tiefenrichtung nicht addieren, führt bereits ein kleiner Neigungswinkel zu einer großen Einsparung beim erforderlichen Bauraum in Höhenrichtung und insgesamt.
Besonders bevorzugt sind Neigungswinkel von 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60° oder 70°, insbesondere im Bereich von 50° bis 60°, da diese in Versuchen der Anmelderin zu besonders vorteilhaften Eigenschaften des Wärmeübertragers mit Hinblick auf die bauraumbezogene Wärmeübertragungsleistung, den benötigten Bauraum und die Strömungsverhältnisse geführt haben.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Abstand der benachbarten Kernelemente in der Höhenrichtung des Stapels kleiner ist, als die Höhe der benachbarten Kernelemente. Mit anderen Worten wären die Kernelemente ohne den in der erfinderischen Lehre vorgesehenen Neigungswinkel (bzw. bei einem Neigungswinkel von 0° oder 180°) nicht in demselben Abstand übereinander stapelbar, da sie kollidieren würden.
Besonders bevorzugt beträgt der Abstand der benachbarten Kernelemente in der Höhenrichtung des Stapels nur 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9, 1/10, 1/11, 1/12 der Höhe der benachbarten Kernelemente oder weniger.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Kernelemente des Stapels in der Tiefenrichtung des Stapels zueinander versetzt angeordnet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, ergibt sich eine Überlappung einer Projektion der betreffenden Kernelemente entlang der Höhenrichtung des Stapels, jedoch nur abschnittsweise. Nochmals mit anderen Worten kann man sagen, dass die betreffenden Kernelemente nicht gerade, sondern versetzt übereinandergestapelt sind, wodurch ein wenigstens abschnittsweise schiefer Stapel entsteht.
Dies bietet den Vorteil, dass der Stapel bzw. der Wärmeübertrager der Erfindung sich besonders flexibel in einen vorgegebenen Bauraum einfügen lässt. Insbesondere kann der Wärmeübertrager so auch strömungstechnisch besonders günstig in ein umgebendes System integriert werden. Bspw. sind Ausführungsformen denkbar, in denen der Wärmeübertrager in eine Kühleranordnung eines Fahrzeugs integriert wird, bei der das erste Fluid zunächst über einen Strömungskanal der Kühleranordnung zur Wärmeübertrager-Einströmebene geführt wird. Der Strömungskanal kann, je nach Bauraumsituation, gegenüber dem Strömungspfad für das erste Fluid des Wärmeübertragers bspw. abgewinkelt sein bzw. dem Wärmeübertrager das erste Fluid in einer Strömungskurve zuführen. In solchen Fällen kann der „schiefe“ Stapel des Wärmeübertragers einen geglätteten Übergang zwischen dem Strömungskanal des umgebenden Systems und dem Strömungspfad für das erste Fluid des Wärmeübertragers begünstigen.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die in der Tiefenrichtung des Stapels zueinander versetzt angeordneten Kernelemente des Stapels entlang einer Höhenrichtung des Stapels ein Versatzprofil ausbilden.
Bspw. können alle Kernelemente des Stapels gleichmäßig gegenüber ihren benachbarten Kernelementen versetzt sein und so ein lineares Versatzprofil ausbilden. Es sind aber auch andere Versatzprofile denkbar, wie etwa abschnittsweise parabolische Versatzprofile.
Somit wird die Flexibilität des Wärmeübertragers der Erfindung mit Hinblick auf die Bauraumnutzung und strömungstechnisch vorteilhafte Gestaltung weiter erhöht.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass sich entlang der Kern-Einströmebene wenigstens eines Kernelements des Stapels zumindest abschnittweise ein Strömungsführungselement erstreckt, welches das erste Fluid von der Wärmeübertrager-Einströmebene auf die Kern-Einströmebene des Kernelements leitet. Vorzugsweise erstreckt sich ein solches Strömungsführungselement entlang der Kern-Einströmebene aller Kernelemente.
Auf diese Weise kann das in die Wärmeübertrager-Einströmebene einströmende erste Fluid strömungstechnisch besonders günstig auf die Kern-Einströmebene geführt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strömungsführungselement zwischen zwei benachbarten Kernelementen des Stapels angeordnet ist und verhindert, dass das erste Fluid von der Kern-Ausströmebene des einen benachbarten Kernelements zur Kern-Einströmebene des anderen benachbarten Kernelements strömen kann.
Auf diese Weise erfolgt eine besonders effiziente Kontrolle des Strömungspfads für das erste Fluid bzw. wird eine unerwünschte Vermischung des ersten Fluids vor und nach der Wärmeübertragung vermieden.
Eine Sonderstellung nehmen hier ein oberstes und ein unterstes Kernelement im Stapel ein, bei dem die Kern-Einströmebene oder Kern-Ausströmebene direkt dem Gehäuse zugewandt ist. Ist die Kern-Einströmebene direkt dem Gehäuse zugewandt, erstreckt sich das Strömungsführungselement bevorzugt zwischen dem Gehäuse und dem betreffenden Kernelement oder wird von dem Gehäuse gebildet. Ist hingegen die Kern-Ausströmebene direkt dem Gehäuse zugewandt, ist das Kernelement vorzugsweise derart mit dem Gehäuse verbunden, dass das erste Fluid nicht an dem Kernelement vorbeiströmen kann bzw. von der Wärmeübertrager-Einströmebene zur Wärmeübertrager-Ausströmebene gelangen kann, ohne durch das betreffende Kernelement zu strömen.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Strömungsführungselement von einem der Wärmeübertrager-Einströmebene zugewandten Endbereich der Kern-Ausströmebene des einen benachbarten Kernelements zu einem der Wärmeübertrager-Ausströmebene zugewandten Endbereich der Kern-Einströmebene des anderen benachbarten Kernelements erstreckt.
Auf diese Weise können die Strömungsführungselement besonders einfach und effizient an den benachbarten Kernelementen befestigt werden und optimale Strömungsverhältnisse realisiert werden.
Bei dem obersten oder untersten Kernelement im Stapel sind wiederum zwei Fälle zu unterscheiden. Ist die Kern-Einströmebene des betreffenden Kernelements direkt dem Gehäuse zugewandt, kann sich das Strömungsführungselement vorzugsweise von dem Gehäuse aus zu dem der Wärmeübertrager-Ausströmebene zugewandten Endbereich der Kern-Einströmebene erstrecken oder von dem Gehäuse gebildet sein. Ist die Kern-Ausströmebene des betreffenden Kernelements direkt dem Gehäuse zugewandt, kann vorzugsweise der in Richtung der Wärmeübertrager-Einströmebene gelegenen Endbereich der Kern-Ausströmebene derart mit dem Gehäuse verbunden sein, dass wiederum das erste Fluid nicht von der Wärmeübertrager-Einströmebene zur Wärmeübertrager-Ausströmebene gelangen kann, ohne durch das betreffende Kernelement zu strömen.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strömungsführungselement zumindest abschnittsweise gerade, gewölbt oder geschwungen ist. Dies umfasst auch Ausführungsformen mit geraden, gewölbten oder geschwungenen Abschnitten in zweckmäßiger Kombination.
Hierdurch kann das Strömungsführungselement nach unterschiedlichen Kriterien optimiert gestaltet werden, wie etwa nach der Herstellungseffizienz, die bei geraden Strömungsführungselementen besonders hoch ist. Bei nicht geraden Formen, wie bspw. einer gewölbten oder geschwungenen Form, können wiederum die strömungstechnischen Eigenschaften besonders gut ausgelegt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strömungsführungselement gewölbt ist, um eine strömungseffiziente Form bereitzustellen. Vorzugsweise entspricht der von der Wölbung überstrichene Winkel dabei im Wesentlichen dem Neigungswinkel der Kernelemente.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strömungsführungselement S-förmig ausgebildet ist. Durch die S-Form werden Druckverluste beim An- und Abströmen des ersten Fluids von dem Strömungsführungselement reduziert. Bei der S-Form handelt es sich um ein Beispiel einer geschwungenen Form.
Generell ist es von Vorteil, dass durch die Strömungsführungselemente, Strömungspassagen und sonstige strömungstechnisch gestaltete Strukturen das Strömungsmanagement weitgehend innerhalb des Wärmeübertragers erfolgen kann. Somit kann dessen konstruktive Komplexität und dessen Gewicht sehr geringgehalten werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kernelemente quaderartig ausgebildet sind. Solche Kernelemente lassen sich besonders gut in einem Stapel unter Realisierung des Neigungswinkels anordnen. Konventionelle Kernelemente haben häufig eine solche quaderartige Form und könne in einfacher Weise erfindungsgemäß angeordnet werden oder vorher, wie im Folgenden erörtert, modifiziert werden. Der Begriff „quaderartig“ umfasst auch Formen, die zwar im Wesentlichen einen Quader darstellen, jedoch für den vorliegenden Anwendungsfall strömungstechnisch vorteilhaft ausgestaltet sein können. Bspw. kann der Quader in seinen Kantenbereichen strömungstechnisch vorteilhaft gestaltet, exemplarisch verrundet, sein, um etwa Druckverluste beim An- und Abströmen der Kante zu verringern.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kernelemente wenigstens eine Strömungspassage für das erste Fluid von der Kern-Einströmebene durch das Kernelement zur Kern-Ausströmebene umfassen, wobei die Strömungspassage gegenüber der Kern-Einströmebene und der Kern-Ausströmebene derart geneigt ist, dass der Neigungswinkel der Kern-Einströmebene und der Kern-Ausströmebene relativ zur Wärmeübertrager-Einströmebene und Wärmeübertrager-Ausströmebene zumindest teilweise kompensiert wird. Bevorzugt entspricht der die Neigung der Strömungspassage dem Neigungswinkel.
Auf diese Weise wird der Strömungspfad für das erste Fluid geglättet bzw. die Stufe im Strömungspfad über die Kernelemente wird verkleinert. Dadurch nähert sich der Strömungspfad seinem angestrebten linearen Verlauf an. Dies schafft besonders günstige Strömungsverhältnisse und reduziert Druckverluste, sodass der Wärmeübertrager besonders effizient ist.
Alternativ kann die Strömungspassage gegenüber der Kern-Einströmebene und der Kern-Ausströmebene aber auch nicht geneigt sein und sich bspw. lotrecht zu diesen erstrecken, was eine besonders effiziente Herstellung ermöglicht.
Die Summe der Flächeninhalte der Kern-Einströmebenen aller Kernelemente beträgt bevorzugt ein Vielfaches des Flächeninhalts der Wärmeübertrager-Einströmebene, wodurch der Wärmeübertrager der Erfindung sehr flexibel skalierbar ist.
Das „Vielfache“ kann durch einen Skalierungsfaktor größer 1 ausgedrückt werden, den der Fachmann auf Basis der erforderlichen Wärmeübertragungsleistung festlegen kann. Der Skalierungsfaktor kann bspw. mit 1,1 gewählt werden oder in Schritten von bspw. 0,1 bis auf 1,9 erhöht werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Summe der Flächeninhalte der Kern-Einströmebenen aller Kernelemente mindestens doppelte so groß (der Skalierungsfaktor wäre hier 2) ist, wie der Flächeninhalt der Wärmeübertrager-Einströmebene. Besonders bevorzugt ist die Summe der Flächeninhalte der Kern-Einströmebenen dreimal, viermal oder fünfmal so groß oder noch größer.
Der Wärmeübertrager der Erfindung kann auf vielfältige Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Schweiße, Löten, unter Einsatz von Befestigungselementen wie Schrauben oder Nieten oder auch durch additive Fertigungsverfahren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung umfassend:

- einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- eine Strömungsmaschine, die mit einem durch den Wärmeübertrager verlaufenden Strömungspfad für ein erstes Fluid wirkverbunden ist; und
- eine Quelle eines zweiten Fluids, die mit Kernelementen des Wärmeübertragers wirkverbunden ist.

Die Strömungsmaschine ist mit dem Strömungspfad für das erste Fluid in einer Weise wirkverbunden, dass ihr Sog oder Druck auf den Strömungspfad für das erste Fluid wirken und das erste Fluid fördern kann. Sie kann bevorzugt für einen Sogbetrieb ausgelegt sein, bspw. durch eine Anordnung der Strömungsmaschine vor der Wärmeübertrager-Ausströmebene. Die Strömungsmaschine kann zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpe sein, je nach Art des ersten Fluids.
Da die bauraumbezogene Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragers der Erfindung hoch ist, kann die Wärmeübertrager-Ausströmebene so dimensioniert sein, dass nur eine einzige Strömungsmaschine in effizienter Größe benötigt wird.
Die Quelle des zweiten Fluids kann beispielsweise über ein Gehäuse des Wärmeübertragers mit den Kernelementen des Wärmeübertragers wirkverbunden sein. Sie kann das zweite Fluid vorzugsweise aktiv, also durch Erzeugung von Sog oder Druck, durch den Wärmeübertrager fördern.
In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmeübertrageranordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass diese als Kühleranordnung für ein Fahrzeug ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Fluid dann um Umgebungsluft und bei dem zweiten Fluid um Kühlflüssigkeit, wie Kühlwasser oder Öl. Als Strömungsmaschine dient bevorzugt ein Gebläse, das vor der Wärmeübertrager-Ausströmebene angeordnet ist. Als Quelle des zweiten Fluids dient vorzugsweise ein Kühlsystem des Fahrzeugs.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung und/oder einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich bevorzugt um ein Kraftfahrzeug, besonders bevorzugt ein Personen- oder Lastkraftwagen. Bei dem Kühlsystem des Fahrzeugs kann es sich um ein Motorkühlsystem handeln. Auf Grund der hohen bauraumbezogenen Wärmeübertragungsleistung und damit Kühlleistung kann es sich bei dem Fahrzeug insbesondere auch um ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle handeln, die mit dem Kühlsystem gekühlt wird.
Nochmals mit anderen Worten zusammengefasst, betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmeübertrager mit einem Gehäuse und darin in einem Stapel angeordneten Kernelementen. Durch die Kernelemente verläuft ein Strömungspfad für ein erstes Fluid von einer Gehäuseeintrittsöffnung zu einer Gehäuseaustrittsöffnung. Die Kernelemente sind gegenüber der Gehäuseeintrittsöffnung und der Gehäuseaustrittsöffnung alle in dieselbe Richtung angestellt. Die Erfindung betrifft ferner eine Wärmeübertrageranordnung mit dem Wärmeübertrager und ein Fahrzeug mit der Wärmeübertrageranordnung.
Grundsätzlich gilt, dass alle Merkmale, die hierin mit Bezug auf bestimmte Aspekte oder Ausführungsformen offenbart werden, auch mit anderen Aspekten oder Ausführungsformen der Erfindung technisch sinnvoll kombinierbar sind. Dies gilt insbesondere auch auszugsweise für einzelne Merkmale, solange hierin nicht explizit darauf hingewiesen wird oder es durch einen technischen Widerspruch offensichtlich ist, dass zwischen bestimmten Merkmalen ein untrennbarer funktional-technischer Zusammenhang besteht, der zur Ausführung der Erfindung beibehalten werden muss.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen exemplarisch erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein Kernelement eines Wärmeübertragers;
2 eine Querschnittsansicht eines Wärmeübertragers;
3 eine perspektivische Ansicht einer Wärmeübertrageranordnung;
4 ein Fahrzeug; und
5 einen Wärmeübertrager mit versetzt angeordneten Kernelementen.

1 zeigt ein Kernelement 10 bzw. einen HEx core eines Wärmeübertragers 12 bzw. eines HEx (hier nicht illustriert, vgl. 2 bis 4). Das Kernelement 10 umfasst eine Kern-Einströmebene 14 und eine, vorzugsweise im Wesentlichen parallel, gegenüberliegende Kern-Ausströmebene 16, zwischen denen das Kernelement 10 von einem ersten Fluid 18 durchströmbar ist. Zugleich ist das Kernelement 10 von einem zweiten Fluid 20 durchströmbar, unter stofflicher Trennung von dem ersten Fluid 18. Somit kann zwischen dem ersten Fluid 18 und dem zweiten Fluid 20 eine Wärmeübertragung Q erfolgen, aber keine stoffliche Vermischung.
In diesem Beispiel hat das Kernelement 10 eine bevorzugte quaderartige Form. Der Begriff „quaderartig“ umfasst auch Formen, die zwar im Wesentlichen einen Quader darstellen, jedoch geometrische Elemente niederer Ordnung aufweisen können (bspw. Kanten), die zu einer Abweichung von der Quaderform beitragen (vgl. auch 2). Rein zur besseren Veranschaulichung und für die Erörterung zweckmäßig hat das Kernelement 10 eine Höhe H, Breite B und Tiefe T im Sinne eines kartesischen Koordinatensystems.
Die Tiefe T des Kernelements 10 entspricht dessen Außenabmessung in Hauptrichtung eines Strömungspfads für das erste Fluid 22 (vgl. auch 2 bis 4). Das Kernelement 10 weist hierzu Strömungspassagen 24 auf, die den Strömungspfads für das erste Fluid 22 durch das Kernelement 10 von der Kern-Einströmebene 14 zur Kern-Ausströmebene 16 definieren. Die Strömungspassagen 24 sind beispielhaft durch Trennelemente 26 in Form von Rippen bzw. fins realisiert.
Die Breite B des Kernelements 10 entspricht dessen Außenabmessung in Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids 28. Das Kernelement 10 weist hierzu vorzugsweise rohrartige Leitungsabschnitte 30 auf, welche die Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids 28 durch das Kernelement 10 definieren.
Die Höhe H des Kernelements 10 entspricht schließlich dessen Außenabmessung senkrecht zu dessen Tiefe T und Breite B, in diesem Beispiel entlang mehrerer abwechselnd übereinander angeordneter Ebenen von Strömungspassagen 24 und Ebenen von rohrartigen Leitungsabschnitten 30.
Das Kernelement 10 ist in 1 über seine Breite B nur teilweise dargestellt und kann grundsätzlich über die Breite B, die Höhe H und die Tiefe T skaliert werden.
2 zeigt eine Querschnittsansicht des Wärmeübertragers 12. Der Wärmeübertrager 12 umfasst ein Gehäuse 32 mit einer Wärmeübertrager-Einströmebene 34 und einer gegenüberliegenden, vorzugsweise im Wesentlichen parallel angeordneten, Wärmeübertrager-Ausströmebene 36. Zwischen der Wärmeübertrager-Einströmebene 34 und der Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 erstreckt sich der Strömungspfad für das erste Fluid 22.
In dem Gehäuse 32 ist eine Vielzahl übereinander in einem Stapel 38 angeordneter Kernelemente 10 vorgesehen, die wie in 1 beschrieben ausgebildet sein können. Zur besseren Veranschaulichung werden im Folgenden eine Höhenrichtung z, eine Tiefenrichtung x und eine Breitenrichtung y des Stapels 38 für die Erörterung zweckmäßig als kartesisches Koordinatensystem definiert.
Die Höhenrichtung z entspricht einer Richtung entlang den übereinander gestapelten Kernelementen 10 bzw. der Stapelungsrichtung. Die Tiefenrichtung x entspricht einer Richtung von der Wärmeübertrager-Einströmebene 34 zur Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 bzw. einer Hauptrichtung des Strömungspfads für das erste Fluid 22. Die Breitenrichtung y entspricht einer Richtung, in der sich die Kernelemente 10 zwischen Wänden 40 des Gehäuses 32 erstrecken, von denen in 2 nur eine Wand 40 illustriert ist (vgl. auch 3), bzw. entspricht der Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids 28 (vgl. auch 1). Die Definition dieser Richtungen des Stapels 38 gilt hier aus Gründen der Anschaulichkeit entsprechend für das Gehäuse 32.
Wie anhand von 1 bereits angesprochen, verläuft der Strömungspfad für ein erstes Fluid 22, nach Eintritt über die Wärmeübertrager-Einströmebene 34 des Wärmeübertragers 12, weiter über die Kern-Einströmebene 14 und die Kern-Ausströmebene 16 durch die Kernelemente 10 des Stapels 38, um dann über die Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 aus dem Wärmeübertrager 12 auszuströmen. Zugleich sind die Kernelemente 10 von dem zweiten Fluid 20 durchströmbar, sodass unter stofflicher Trennung von dem Strömungspfad für das erste Fluid 22 die Wärmeübertragung Q zwischen dem ersten Fluid 18 und dem zweiten Fluid 20 ermöglicht wird.
Es sei angemerkt, dass der Strömungspfad für ein erstes Fluid 22 in 2 lediglich aus Gründen der Anschaulichkeit in einzelne Pfeile zerlegt ist und nicht für jedes Kernelement 10 illustriert ist. In der Realität kann der Strömungspfad für ein erstes Fluid 22 als Strömungsfront in die Wärmeübertrager-Einströmebene 34 eintreten und aus der Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 austreten. Innerhalb des Wärmeübertragers 12, durch die Kernelemente 10, kann die in Form der verzweigten Pfeile illustrierte temporäre Aufteilung in Teilströmungspfade erfolgen.
In 2 ist erkennbar, dass die Kern-Einströmebenen 14 und die Kern-Ausströmebenen 16 der Kernelemente 10 relativ zur Wärmeübertrager-Einströmebene 34 und Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 geneigt sind und ein entsprechender Neigungswinkel 42 ausgebildet ist. Der Neigungswinkel 42 ist exemplarisch bezogen auf zwei benachbart angeordnete Kernelemente 10 und die Wärmeübertrager-Einströmebene 34 illustriert. Da in diesem bevorzugten Beispiel die Wärmeübertrager-Einströmebene 34 und die Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 sowie die Kern-Einströmebene 14 und die Kern-Ausströmebene 16 jeweils parallel zueinander angeordnet sind, besteht der Neigungswinkel 42 zwischen der Kern-Einströmebene 14 und der Kern-Ausströmebene 16 jeweils gegenüber der Wärmeübertrager-Einströmebene 34 und der Wärmeübertrager-Ausströmebene 36.
Insbesondere ist der Neigungswinkel 42 der Kern-Einströmebene 14 und der Kern-Ausströmebene 16 wenigstens zweier benachbarter Kernelemente 10 des Stapels 38 - und in dem bevorzugten illustrierten Beispiel aller Kernelemente 10 des Stapels 38 - in dieselbe Richtung ausgebildet.
Auf diese Weise lassen sich die Kernelemente 10 des Stapels 38 in Höhenrichtung z sehr dicht packen, was den benötigten Bauraum für den Wärmeübertrager 12 in der Höhenrichtung z reduziert. Zugleich beträgt die Summe der Flächeninhalte aller Kern-Einströmebenen 14, die das erste Fluid 18 direkt anströmen kann, ein Vielfaches des Flächeninhalts der Wärmeübertrager-Einströmebene 34. Der Wärmeübertrager 12 kann daher eine sehr hohe bauraumbezogene Wärmeübertragungsleistung bereitstellen.
Der Stapel 38 und das Gehäuse 32 sind in der Höhenrichtung z nur abschnittsweise dargestellt und beliebig skalierbar, je nach verfügbarem Bauraum eines umgebenden Systems wie etwa einem Fahrzeug 44 (hier nicht gezeigt, vgl. 4).
In diesem bevorzugten Beispiel weist der Neigungswinkel 42 aller Kernelemente 10 denselben Winkelbetrag auf, der hier exemplarisch etwa 60° beträgt. So kann, was auch bei anderen Winkelbeträgen der Fall wäre, ein Abstand 46 der benachbarten Kernelemente 10 in der Höhenrichtung z des Stapels 38 deutlich kleiner sein, als die Höhe H (vgl. 1) der benachbarten Kernelemente 10.
In 2 ist erkennbar, dass sich vorzugsweise entlang der Kern-Einströmebene 14 der Kernelemente 10 des Stapels 38 jeweils abschnittweise ein Strömungsführungselement 48 erstreckt, welches das erste Fluid 18 von der Wärmeübertrager-Einströmebene 34 auf die Kern-Einströmebenen 14 der jeweiligen Kernelemente 10 leitet. Das Strömungsführungselement 48 erstreckt sich vorzugsweise jeweils zwischen zwei benachbarten Kernelementen 10 des Stapels 38 und verhindert so auch effektiv, dass das erste Fluid 18 von der Kern-Ausströmebene 16 eines benachbarten Kernelements 10 zur Kern-Einströmebene 14 eines anderen benachbarten Kernelements 10 strömen kann. In diesem bevorzugten Beispiel erstreckt sich das Strömungsführungselement 48 jeweils von einem der Wärmeübertrager-Einströmebene 34 zugewandten Endbereich der betreffenden Kern-Ausströmebene 50 eines benachbarten Kernelements 10 zu einem der Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 zugewandten Endbereich der Kern-Einströmebene 52 eines benachbarten Kernelements 10.
Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse können eines oder mehrere Strömungsführungselemente 48 gewölbt (vgl. auch 3) oder geschwungen sein.
Im Beispiel der 2 sind die Strömungsführungselemente 48 geschwungen und weisen konkret eine S-förmige Gestalt auf.
Eine mögliche gerade Form, die alternativ für eines oder mehrere Strömungsführungselemente 48 umgesetzt werden kann, ist in 2 in Bezug auf ein exemplarisches Kernelement 10' illustriert. So ist an dem Endbereich der Kern-Einströmebene 52 des exemplarischen Kernelements 10' ein gerades Strömungsführungselement 48 gezeigt, das besonders effizient herstellbar ist.
Ebenfalls anhand des exemplarischen Kernelements 10' ist in 2 erkennbar, dass der Endbereich der Kern-Einströmebene 52 und der Endbereich der Kern-Ausströmebene 50 verrundet sein können, um ein besseres An- und Abströmen eines ersten Fluids 18 zu ermöglichen.
Die in Bezug auf das exemplarische Kernelement 10' dargestellten Gestaltungsoptionen können selbstverständlich auch auf weitere oder alle Kernelemente 10 angewandt werden. Ebenso kann das exemplarische Kernelement 10' nebst der ihm zugeordneten Strömungsführungselement 48 wie die übrigen in 2 gezeigten Kernelement 10 und Strömungsführungselemente 48 ausgebildet sein.
Um trotz des ausgebildeten Neigungswinkels 42 einen möglichst druckverlustfreien und effizienteren Verlauf des Strömungspfads für das erste Fluid 22 zu realisieren, sind die Strömungspassagen 24 für das erste Fluid 18 gegenüber der Kern-Einströmebene 14 und der Kern-Ausströmebene 16 der Kernelemente 10 bevorzugt geneigt angeordnet und damit in 2 abweichend von der Illustration aus 1 ausgebildet. Eine Neigung 54 der Strömungspassagen 24 ist dabei vorzugsweise so dimensioniert, dass der Neigungswinkel 42 der Kern-Einströmebene 14 und der Kern-Ausströmebene 16 relativ zur Wärmeübertrager-Einströmebene 34 und Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 zumindest teilweise kompensiert wird. Hierdurch wird der Strömungspfad für das erste Fluid 22 an einen linearen Verlauf angenähert.
Vorzugsweise sind die Trennelemente 26, wie in 2 gezeigt, bündig in die Kern-Einströmebene 14 und die Kern-Ausströmebene 16 integriert bzw. münden in diesen Ebenen. Eine entsprechende Gestaltung ist auch an den Trennelementen 26 in den 1 und 3 ersichtlich.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wärmeübertrageranordnung 56 mit einem Wärmeübertrager 12, bspw. wie in 2 beschrieben. Rein exemplarisch ist hier illustriert, dass auf die zuvor beschriebene Neigung 54 der Strömungspassagen 24 auch verzichtet werden kann, um die Herstellung der Kernelemente 10 effizienter zu machen.
Vor der Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 ist eine Strömungsmaschine 58 angeordnet, die das erste Fluid 18 durch den Strömungspfad für ein erstes Fluid 22 fördern kann.
Ferner ist das Gehäuse 32 detaillierter gezeigt und umfasst eine Wand 40 und eine dieser in Breitenrichtung y gegenüberliegende weitere Wand 40, die lediglich angedeutet ist. Die eine Wand 40 verfügt über einen Zustromanschluss 60 für das zweite Fluid 20. Damit das zweite Fluid 20 in die Wand 40 einströmen kann, ist diese vorzugsweise hohl, also als Tank ausgeführt. Die andere nur angedeutete Wand 40 ist vorzugsweise entsprechend ausgeführt und umfasst einen nicht gezeigten Abstromanschluss für das zweite Fluid 20. Die Kernelemente 10 des Stapels 38 sind vorzugsweise mit den Wänden 40 verbunden und werden über die Wände mit dem zweiten Fluid 20 versorgt.
Als Quelle des zweiten Fluids 20 kann beispielsweise ein hier nicht gezeigtes Kühlsystem eines Fahrzeugs 44 dienen, das über das Gehäuse 32 mit den Kernelementen 10 des Wärmeübertragers 12 wirkverbunden ist.
In 3 ist auch noch einmal illustriert, dass die Kern-Einströmebenen 14 und die Kern-Ausströmebenen 16 der Kernelemente 10 des Stapels 38 relativ zur Wärmeübertrager-Einströmebene 34 und Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 geneigt sind und zwar derart, dass der Neigungswinkel 42 der Kern-Einströmebenen 14 und der Kern-Ausströmebenen 16 der Kernelemente 10 - in diesem Beispiel aller Kernelemente 10 - in dieselbe Richtung ausgebildet ist.
In 3 ist auch ersichtlich, dass das Strömungsführungselement 48, welches vor der Kern-Einströmebenen 14 des im Stapel 38 in Höhenrichtung z oberen Kernelements 10 angeordnet ist, exemplarisch mit dem Gehäuse 32 verbunden sein kann. Bspw. kann sich das Strömungsführungselement 48 von dem Gehäuse 32 zu dem der Wärmeübertrager-Ausströmebene 36 zugewandten Endbereich der Kern-Einströmebene 52 des oberen Kernelements 10 erstrecken. In dem Beispiel der 3 sind die Strömungsführungselemente 48 gewölbt. Im Falle des im Stapel 38 in Höhenrichtung z unteren Kernelements 10 kann dieses exemplarisch direkt mit dem Gehäuse 32 verbunden sein. Bspw. kann ein der Wärmeübertrager-Einströmebene 34 zugewandter Endbereich der Kern-Ausströmebene 50 des unteren Kernelements 10 mit dem Gehäuse 32 verbunden sein.
4 zeigt ein Fahrzeug 44 mit einer Wärmeübertrageranordnung 56, bspw. wie in 3 beschrieben. Die Wärmeübertrageranordnung 56 ist hier exemplarisch als Kühleranordnung für das Fahrzeug 44 ausgebildet. Illustriert sind in 4 nochmals die Anordnung des Wärmeübertragers 12 und der Strömungsmaschine 58 sowie der Verlauf des Strömungspfads für das erste Fluid 22.
5 zeigt ein Fahrzeug 44 mit einer Wärmeübertrageranordnung 56, die im Wesentlichen analog zu 4 ausgebildet sein kann, weshalb hier nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Auch die Wärmeübertrageranordnung 56 in 5 umfasst einen Wärmeübertrager 12, der in Detail A abschnittsweise näher gezeigt ist. Der Wärmeübertrager 12 kann im Übrigen, soweit hier nicht anders beschrieben, gemäß den sonstigen offenbarten Ausführungsformen ausgeprägt sein.
Allerdings sind in 5 wenigstens zwei Kernelemente 10 des Stapels 38, in dem hier gezeigten Beispiel sogar alle Kernelemente 10, in der Tiefenrichtung x des Stapels 38 zueinander versetzt angeordnet, sodass sich eine Überlappung 62 einer Projektion der betreffenden Kernelemente 10 entlang der Höhenrichtung z des Stapels 38 nur abschnittsweise ergibt. Die Kernelemente 10 sind also versetzt übereinandergestapelt. Infolge dieser Versetzung bilden die in der Tiefenrichtung x des Stapels 38 zueinander versetzten Kernelemente 10 entlang der Höhenrichtung z ein Versatzprofil 64 aus. Das Versatzprofil 64, das hier rein exemplarisch linear ist, ermöglicht eine individuelle Bauraumeinpassung.
Das lineare Versatzprofil 64 verläuft in einem Winkel 66 gegenüber der Höhenrichtung z des Stapels 38. Im unteren Teil der 5 ist erkennbar, dass der Wärmeübertrager 12 in der Kühleranordnung des Fahrzeugs 44 integriert ist, wobei das erste Fluid 18 zunächst über einen Strömungskanal 68 zum Wärmeübertrager 12 geführt wird. Hierbei beschreibt der Strömungspfad für das erste Fluid 22 des Wärmeübertragers 12 eine Strömungskurve, wie in 5 ersichtlich.
Die gezeigte Anordnung der Kernelemente 10 nach Art eines „schiefen“ Stapels 38 unter Ausbildung des Winkels 66 erlaubt hierbei auch eine Glättung der Strömungskurve und sorgt für einen strömungstechnisch günstigen Übergang vom Strömungskanal 68 zum Wärmeübertrager 12.
Bezugszeichenliste

10: Kernelement
10': exemplarisches Kernelement
12: Wärmeübertrager
14: Kern-Einströmebene
16: Kern-Ausströmebene
18: erstes Fluid
20: zweites Fluid
22: Strömungspfad für das erste Fluid
24: Strömungspassage
26: Trennelement
28: Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids
30: rohrartiger Leitungsabschnitt
32: Gehäuse
34: Wärmeübertrager-Einströmebene
36: Wärmeübertrager-Ausströmebene
38: Stapel
40: Wand
42: Neigungswinkel
44: Fahrzeug
46: Abstand
48: Strömungsführungselement
50: Endbereich der Kern-Ausströmebene
52: Endbereich der Kern-Einströmebene
54: Neigung
56: Wärmeübertrageranordnung
58: Strömungsmaschine
60: Zustromanschluss
62: Überlappung
64: Versatzprofil
66: Winkel
68: Strömungskanal
B: Breite
H: Höhe
Q: Wärmeübertragung
T: Tiefe
x: Tiefenrichtung
y: Breitenrichtung
z: Höhenrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2947411 A1 [0003]
JP 2004069228 A [0004]
US 2022/0042690 A1 [0005]
US 9982898 B2 [0006]
EP 0020375 B1 [0007]

Claims

Wärmeübertrager (12) umfassend: - ein Gehäuse (32) mit einer Wärmeübertrager-Einströmebene (34) und einer gegenüberliegenden Wärmeübertrager-Ausströmebene (36), zwischen denen sich ein Strömungspfad für ein erstes Fluid (22) erstreckt; und - wenigstens zwei übereinander in einem Stapel (38) angeordnete Kernelemente (10), jeweils mit einer Kern-Einströmebene (14) und einer gegenüberliegenden Kern-Ausströmebene (16), die im Strömungspfad für das erste Fluid (22) liegen, wobei die Kernelemente (10) von einem zweiten Fluid (20) durchströmbar sind, sodass unter stofflicher Trennung von dem Strömungspfad für das erste Fluid (22) eine Wärmeübertragung (Q) zwischen dem ersten Fluid (18) und dem zweiten Fluid (20) ermöglicht wird; wobei - die Kern-Einströmebenen (14) und die Kern-Ausströmebenen (16) der Kernelemente (10) relativ zur Wärmeübertrager-Einströmebene (34) und Wärmeübertrager-Ausströmebene (36) geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel (42) der Kern-Einströmebene (14) und der Kern-Ausströmebene (16) wenigstens zweier benachbarter Kernelemente (10) des Stapels (38) in dieselbe Richtung ausgebildet ist.
Wärmeübertrager (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (42) der benachbarten Kernelemente (10) denselben Winkelbetrag aufweist.
Wärmeübertrager (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbetrag des Neigungswinkels (42) größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Wärmeübertrager (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (46) der benachbarten Kernelemente (10) in einer Höhenrichtung (z) des Stapels (38) kleiner ist, als eine Höhe (H) der benachbarten Kernelemente (10).
Wärmeübertrager (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kernelemente (10) des Stapels (38) in einer Tiefenrichtung (x) des Stapels (38) zueinander versetzt (62) angeordnet sind.
Wärmeübertrager (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Tiefenrichtung (x) des Stapels (38) zueinander versetzt angeordneten Kernelemente (10) des Stapels (38) entlang einer Höhenrichtung (z) des Stapels (38) ein Versatzprofil (64) ausbilden.
Wärmeübertrager (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang der Kern-Einströmebene (14) wenigstens eines Kernelements (10) des Stapels (38) zumindest abschnittweise ein Strömungsführungselement (48) erstreckt, welches das erste Fluid (18) von der Wärmeübertrager-Einströmebene (34) auf die Kern-Einströmebene (14) des Kernelements (10) leitet.
Wärmeübertrager (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (48) zwischen zwei benachbarten Kernelementen (10) des Stapels (38) angeordnet ist und verhindert, dass das erste Fluid (18) von der Kern-Ausströmebene (16) des einen benachbarten Kernelements (10) zur Kern-Einströmebene (14) des anderen benachbarten Kernelements (10) strömen kann.
Wärmeübertrager (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsführungselement (48) von einem der Wärmeübertrager-Einströmebene (34) zugewandten Endbereich der Kern-Ausströmebene (50) des einen benachbarten Kernelements (10) zu einem der Wärmeübertrager-Ausströmebene (36) zugewandten Endbereich der Kern-Einströmebene (52) des anderen benachbarten Kernelements (10) erstreckt.
Wärmeübertrager (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsführungselement (48) zumindest abschnittsweise gerade, gewölbt oder geschwungen ist.
Wärmeübertrager (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernelemente (10) quaderartig ausgebildet sind.
Wärmeübertrager (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernelemente (10) wenigstens eine Strömungspassage (24) für das erste Fluid (18) von der Kern-Einströmebene (14) durch das Kernelement (10) zur Kern-Ausströmebene (16) umfassen, wobei die Strömungspassage (24) gegenüber der Kern-Einströmebene (14) und der Kern-Ausströmebene (16) derart geneigt ist, dass der Neigungswinkel (42) der Kern-Einströmebene (14) und der Kern-Ausströmebene (16) relativ zur Wärmeübertrager-Einströmebene (34) und Wärmeübertrager-Ausströmebene (36) zumindest teilweise kompensiert wird.
Wärmeübertrageranordnung (56) umfassend: - einen Wärmeübertrager (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 12; - eine Strömungsmaschine (58), die mit einem durch den Wärmeübertrager (12) verlaufenden Strömungspfad für ein erstes Fluid (22) wirkverbunden ist; und - eine Quelle eines zweiten Fluids (20), die mit Kernelementen (10) des Wärmeübertragers (12) wirkverbunden ist.
Wärmeübertrageranordnung (56) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Kühleranordnung für ein Fahrzeug (44) ausgebildet ist.
Fahrzeug (44), umfassend eine Wärmeübertrageranordnung (56) nach Anspruch 13 und/oder 14 und/oder einen Wärmeübertrager (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.