EP1604161A1

EP1604161A1 - Wärmeaustauscheinrichtung und verfahren zum konditionieren e ines arbeitsmediums

Info

Publication number: EP1604161A1
Application number: EP03767526A
Authority: EP
Inventors: Karsten Emrich; Wolfgang Kramer; Eberhard Pantow
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2005-12-14
Also published as: AU2003292003A1; WO2004076951A1; JP2006514255A; US20070137834A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeaustauscheinrichtung sowie ein Verfahren zum Konditionieren eines Arbeitsmediums, insbesondere mit einer solche Wärmeaustauscheinrichtung. In einer Wärmeaustauscheinrichtung (99) wird ein Arbeitsmedium (13) mittels eines Wärmeaustauschmediums (21) konditioniert. Dabei erfolgt das Konditionieren im Sinne des Erzeugens eines erwünschten Arbeitspunktes durch Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium (13) und dem Wärmeaustauschmedium (21). Hierfür sind in der Wärmeaustauscheinrichtung (99) Wärmeaustauschflächen ausgebildet, über die der Wärmeaustausch derart erfolgen kann, dass die beiden Medien (13, 21)voneinander getrennt sind. Gemäss der Erfindung ist eine Kammer (10) ausgebildet, wobei in die Kammer (10) das Arbeitsmedium (13) einströmt. Die Kammer (10) ist von wenigstens einer Leitung (20) durchsetzt oder begrenzt, welche vom Wärmeaustauschmedium (21)durchströmt wird.

Description

Wärmeaustauscheinrichtung und Verfahren zum Konditionieren eines Arbeitsmediums

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeaustauscheinrichtung sowie ein Verfahren zum Konditionieren eines Arbeitsmediums, insbesondere mit einer solchen Wärmeaustauscheinrichtung.

Wärmeaustauscheinrichtungen, in denen ein Arbeitsmedium im Sinne des Erzeugens eines erwünschten Arbeitspunktes durch Wärmeaustausch mit einem Wärmeaustauschmedium über Wärmeaustauschflächen erfolgt, sind in vielfältiger Weise bekannt. Derartige Wärmeaustauscheinrichtungen sind beispielsweise Fahrzeugkühler, bei denen das Arbeitsmedium die Kühlflüssigkeit eines Motors ist und das Wärmeaustauschmedium die durchströ- mende Umgebungsluft. Aber auch für weitere Arbeitsmedien eines Motors, wie einer Brennkraftmaschine, werden Wärmeaustauscheinrichtungen benötigt. So ist es beispielsweise bekannt, Verbrennungsabgase einer Brennkraftmaschine in die Brennkammer zurückzuführen und zuvor über einen Wärmetauscher zu kühlen. Ebenso ist es bekannt, zum Betreiben einer Bremse oder einer Motorbremse eines Fahrzeugs Druckluft zu kühlen.

Bekannte Wärmetauscher sind gesonderte Bauteile, die in separaten Gehäusen untergebracht sind und nur teilweise in das Gesamtkühlsystem eines Motors integrierbar sind.

Nachteilig bei solchen Wärmetauschern, bei denen das Arbeitsmedium in einer Zwangs- Strömung einen Bereich durchströmt, der vom Wärmeaustauschmedium durchströmt wird, ist, dass die Notwendigkeit eines entsprechend angepassten, sehr druckfesten Gehäuses gegeben ist. Darüber hinaus ist auch die Notwendigkeit zum Erzeugen einer erzwungenen Strömung des Arbeitsmediums gegeben. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wärmeaustauscheinrichtung so zu gestalten, dass ein Konditionieren des Arbeitsmediums in möglichst einfacher Weise zu erreichen ist. Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine erfindungsgemäße Wärmeaustauscheinrichtung gelöst. Verfahren zum Konditionieren eines Arbeitsmediums gemäß der Erfindung sind ebenfalls geeignet, in vorteilhafter Weise die Aufgabe der Er- fϊndung zu lösen.

In einer Wärmeaustauscheinrichtung wird ein Arbeitsmedium mittels eines Wärmeaus- tauschmediums konditioniert. Dabei erfolgt das Konditionieren im Sinne des Erzeugens eines erwünschten Arbeitspunktes durch Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium. Hierfür sind in der Wärmeaustauscheinrichtung Wärmeaustauschflächen ausgebildet, über die der Wärmeaustausch derart erfolgen kann, dass die beiden Medien voneinander getrennt sind. Gemäß der Erfindung ist eine Kammer ausgebildet, wobei in die Kammer das Arbeitsmedium einströmt. Die Kammer ist von wenigstens einer Leitung durchsetzt, welche vom Wärmeaustauschmedium durchströmt wird.

Dadurch, dass das Arbeitsmedium bei dieser Ausgestaltung nicht aktiv an den Wärmeaustauschflächen vorbeiströmen muss, kann der Wärmeaustausch auch bei nur partieller oder gänzlich ohne erzwungene Strömung durch freie Konvektion erfolgen. Dabei kann das Konditionieren des Arbeitsmediums insbesondere in einem Kühlen desselben bestehen.

Gemäß bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Kammer in Richtung ihrer größten Längsausdehnung von wenigstens einer Leitung durchsetzt. Die Ausrichtung der Leitung in Richtung der größten Längsausdehnung der Kammer bietet die Möglichkeit, die Oberfläche der Leitung in der Kammer möglichst groß zu gestalten und damit eine mög- liehst große Wärmeaustauschfläche zu bilden. Dies dient insbesondere dann einem günstigen Wärmeaustausch, wenn dieser weit überwiegend oder fast ausschließlich durch freie Konvektion erfolgt.

Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens eine Leitung Wärmeaustauschrippen, wie Kühlrippen, aufweist. Die Wärmeaustauschrippen dienen der Vergrößerung der Oberfläche der Leitung und somit einer Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen und damit dem Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien insgesamt. Gemäß bevorzugter Weiterbildung sind die Wärmeaustauschrippen auf der Außenseite der Leitung angeordnet und ragen von der Leitung in die Kammer hinein. Da- durch wird insbesondere die mit dem Arbeitsmedium in Kontakt stehende Oberfläche der durch die Wärmeaustauschrippen gebildeten Wärmeaustauschflächen vergrößert. Durch Verwendung eines geeigneten, gut wärmeleitenden Materials, wie beispielsweise eines Metalls, wird die Wärmeleitung in dem. Material erhöht. Die Oberflächenvergrößerung wirkt auch dann, wenn die Wärmeaustauschrippen innenseitig nicht von dem Wärmeaustauschmedium durchströmt sind. Es ist dabei nach den Gegebenheiten und den Erfordernissen der An- und Abströmung des Arbeitsmediums in die Kammer möglich und im Sinne eines guten Wärmeaustausches vorteilhaft, wenn die Verlaufsrichtung der Wärmeaustauschrippen senkrecht zu der Verlaufsrichtung der Leitung in der Kammer ausgebildet sind. Hierbei sind insbesondere Rippen in paralleler Anordnung zur Wirkrichtung der Gravitationskraft vorteilhaft.

Dabei sind die Wärmeaustauschrippen gemäß bevorzugter Weiterbildung der Erfindung entsprechend der Anströmrichtung und/oder entsprechend der Abströmrichtung des Ar- beitsmediums in bzw. aus der Kammer ausgebildet.

Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Leitung im Bereich wenigstens einer Anströmöffhung der Kammer ausgebildet. Durch das Ausbilden einer Leitung im Bereich einer Anströmöffhung wird ein zwangsweises Umströmen der Leitung erreicht und somit neben einem reinen freien konvektiven Wärmeaustausch auch noch ein Anteil an erzwungenem konvektiven Wärmeaustausch erreicht. Gemäß weiterführender Ausgestaltung ist es dabei möglich, dass mehrere Anströmöffhungen in die Kammer vorgesehen sind, wobei im Bereich jeder Anströmöffhung eine Leitung verläuft. Es können dabei auch mehreren Anströmöffhungen jeweils eine gemeinsame Leitung zugeordnet sein. Insbesondere ist auch der Fall möglich, dass nur eine geringe Anzahl von Leitungen vorgesehen ist, wobei jede der Leitungen im Bereich mehrerer Anströmöffhungen verläuft. Andererseits ist ebenfalls denkbar, dass jeder Anströmöffhung eine andere, nur ihr allein zugeordnete Leitung zugeordnet ist. Es sind dann wenigstens so viele Leitungen vorhanden wie Anströmöffhungen.

Des Gleichen kann alternativ oder zusätzlich hierzu vorgesehen sein, dass wenigstens eine Leitung im Bereich der wenigstens einen Abströmöffhung ausgebildet ist. Auch hier führt das Umströmen der Leitung beim Abströmen des Arbeitsmediums aus der Kammer zu einer erzwungenen Konvektion, die ergänzend zur freien Konvektion wirkt. Dabei können insbesondere mehrere Abströmöffhungen vorgesehen sein, wobei im Bereich jeder Abströmöffnung eine Leitung verläuft. Dabei es jedoch durchaus möglich, dass ein- und dieselbe Leitung mehreren Abströmöffhungen zugeordnet ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass jeder Abströmöffhung eine andere Leitung zugeordnet ist. An- und Ab- strö öffhungen können identisch sein, d.h. eine Öffnung kann auch zyklisch als Anströmöffhung und dann als Abströmöffhung verwendet werden.

Es können dabei insbesondere Ausgestaltungen vorgesehen sein, gemäß denen jeder Lei- f tung wenigstens eine und vorzugsweise genau eine Anströmöffhung und wenigstens eine Abströmöffhung, vorzugsweise wenigstens genau eine Abströmöffhung zugeordnet ist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass einer Leitung mehrere Anströmöffhungen, aber lediglich eine Abströmöffhung zugeordnet sind.

In vorteilhafter Weise kommt es zu einer besonders guten Durchströmung eines mit Wär- meaustauschrippen versehenen Bereichs, wenn das Arbeitsmedium einen solchen Bereich auf den Fließpfad von der Anströmöffhung oder zu der Abströmöffhung unmittelbar durchströmt. Dies führt zu einer besonders guten Zwangsführung des an- bzw. abströmenden Arbeitsmediums und zu einer erhöhten Effizienz der erzwungenen Konvektion.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet die Kammer einen Speicher für das Arbeitsmedium. Durch diese Maßnahme wird ein eventuell benötigter Speicher zugleich zu einer Wärmeaustauscheinrichtung. Ein gesondertes Gehäuse für die Wärmeaustauscheinrichtung entfällt. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil an das Gehäuse einer Wärmeaustauscheinrichtung wenigstens weitgehend übereinstimmende konstruktive Anforderungen gestellt werden, wie an einen Speicher. Die Anforderung an Dichtheit, Druckfestigkeit und thermischer Belastbarkeit stimmen weitgehend miteinander überein.

In weiterführender Ausgestaltung der Erfindung kann die Kammer auch einen Druckspeicher bilden. Der Druckspeicher hat insbesondere in Verbindung mit einem gasförmigen Arbeitsmedium den Vorteil, dass das unter Druck stehende Arbeitsmedium einen besseren Wärmeaustausch zum Wärmeaustauschmedium ermöglicht, als ein Arbeitsmedium unter Atmosphärendruck. Gemäß anderer weiterführender Ausgestaltung der Erfindung ist die Kammer integrierter Bestandteil eines Motorbauteils oder Kompressorbauteils, insbesondere der Abgasrückführung eines Motors, einer Abgasrückführeinrichtung oder einer Bremseinrichtung. Dadurch, dass die Wärmeaustauscheinrichtung, ob nun mit Speicherfunktion oder ohne, Bestandteil eines Funktionselements wird, wird der bauliche Aufwand für die Wärmeaustauscheinrichtung stark reduziert. Die für die Wärmeaustauscheinrichtung benötigte Kammer kann gemäß vorteilhafter Ausgestaltung unmittelbar im Bereich des Motorblocks ausgebildet oder Bestandteil desselben sein. Hierdurch kann die Kammer in besonders einfacher Weise erzeugt werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Konditionieren eines Arbeitsmediums mittels eines Wärmeaustauschmediums sieht vor; dass das Arbeitsmedium in eine Kammer einströmt und das Wärmeaustauschmedium diese Kammer durchströmt und dabei in einer Leitung geführt ist, welche die Kammer durchsetzt. Diese Vorgehensweise ermöglicht- einen Wär- meaustausch, der von einer Zwangsdurchströmung des Arbeitsmediums durch den Wärmeaustauscher unabhängig ist. Gemäß vorteilhafter Ausführung erfolgt das Konditionieren des Arbeitsmediums in der Kammer zumindest teilweise durch freie Konvektion. Diese Art des Wärmeaustausches kann in besonders günstiger und einfacher Weise erzeugt werden. Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung eines Verfahrens wird das Arbeitsmedium wenigstens beim An- oder beim Abströmen in die Kammer bzw. aus der Kammer durch einen mit Wärmeaustauschrippen versehenen Bereich geführt. Das Durchführen durch diesen mit Wärmeaustauschrippen versehenen Bereich führt zu einer erzwungenen Konvektion, die die Effizienz des Wärmeaustauschers erhöht, jedoch keine gesonderte Erzeugung von Zwangsströmung des Arbeitsmediums durch die Wärmeaustauscheinrichtung erfordert. Es wird lediglich die ohnehin schon vorhandene Strömung des Arbeitsmediums ausgenutzt. Diese Strömung entsteht insbesondere über Druckgefälle bzw. über einen ohnehin erforderlichen Umlauf bzw. Abförderung des Arbeitsmediums aus der Kammer heraus, meist in Form eines sich automatisch ausbildenden Fließverhaltens des Mediums. Gemäß bevorzugter Ausgestaltung sind dabei die Wärmeaustauschrippen in An- bzw. Abströmrichtung des Arbeitsmediums ausgerichtet, so dass das Arbeitsmedium besonders günstig zwischen den Rippen hindurchströmen kann. Diese Form der Ausrichtung f hrt zu einem geringen Strömungswiderstand und gleichzeitig zu einer guten Durchströmung der Zwischenräume zwischen den Wärmeaustauschrippen. Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Wärmeaustauschrippen in Richtung des Verlaufs einer Konvektionsströmung in der Kammer ausgerichtet. Eine derartige Ausrichtung führt insbesondere bei relativ hohen Verweilzeiten und einer eine Konvektionsströmung innerhalb der Kammer begünstigenden Gestal- rung der Kammer dazu, dass das Entstehen einer Konvektionsströmung in der Kammer begünstigt wird. Eine solche Strömung führt dann mit geringem Strömungswiderstand und einer guten Umströmung der Wärmeaustauschrippen zu einer Verstärkung der freien Konvektion. Eine Konvektionsströmung tritt vor allem dann auf, wenn der abströmende Teil des Arbeitsmediums gegenüber dem Volumen der Kammer relativ gering ist und auch mit geringer Strömungsgeschwindigkeit erfolgt. Durch eine solche Gestaltung der Kammer und des Volumens der Kammer kann eine besondere gute Konditionierung des Arbeitsmediums erreicht werden, da durch die damit verbundene hohe mittlere Verweilzeit des Arbeitsmediums in der Kammer ein sehr guter Austausch an Wärmeenergie zwischen Arbeitsmedium und Wärmeaustauschmedium erzielt werden kann. Auch kann die Anordnung der Anström- und Abströmöffhungen so erfolgen, dass durch ihre Durchströmrichtung und durch ihre Platzierung an der Kammer das Entstehen einer Konvektionsströmung gefördert wird.

Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung eines Verfahrens ist das Arbeitsmedium in der Kammer druckbeaufschlagt. Das druckbeaufschlagte Speichern des Arbeitsmediums in der Kammer ist dann besonders von Vorteil, wenn das Arbeitsmedium in gasförmigem Zustand vorliegt. Durch Druckbeaufschlagung wird dann die Teilchendichte erhöht und somit ein verbesserter Wärmeaustausch durch freie Konvektion erreicht. In vorteilhafter Weise ist es möglich, dass das Arbeitsmedium dem Betrieb eines Motors (Brennkraftmaschinen), einer Bremseinrichtung oder einem Druckspeicher eines Fahrzeugs dient.

In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer erfindungsgemäß ausgestalteten Wärmeaustauscheinrichtung.

Die Erfindung ist anhand von Ausfuhrungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben; dabei zeigt: Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauscheinrichtung;

Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauschemrichtung;

Figur 3 in schematischer Darstellung den Aufbau einer dritten Wärmeaustauscheinrichtung in einem Längsschnitt;

Figur 4 in schematischer Darstellung den Aufbau einer vierten Ausführungsform einer Wärmeaustauscheinrichtung in einem Längsschnitt;

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel von Wärmeaustauschrippen im Bereich der Leitung einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauscheinrichtung;

Figur 6 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine fünfte

Wärmeaustauscheinrichtung;

Figur 7 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine sechste Wärmeaustauscheinrichtung;

Figur 8 in schematischer Darstellung den Längsschnitt durch eine Wärmeaustauscheinrichtung; und

Figur 9 in schematischer Darstellung den Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausfuhrungsform einer Wärmeaustauscheinrichtung.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Kammern und darin vorgenommenen Anordnungen von Leitungen, wobei an den Leitungen Wärmeaus- tauschrippen angeformt sind . Die unterschiedlichen Ausgestaltungen unterscheiden sich in unterschiedlichen Ausbildungen der Kammer 10, der jeweils wenigstens einen An- und Abströmöffhung sowie der Positionierung der wenigstens einen Leitung innerhalb der Kammer. Die Fig. 1 zeigt eine Wärmeaustauscheinrichtung 99, die eine Kammer 10 aufweist, die im Querschnitt rechteckformig ausgebildet ist. Die Kammer bildet dabei einen Speicher für Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium insbesondere druckbeaufschlagt ist.

In der dargestellten Ausführungsform wird die Kammer 10 durch drei Leitungen 20 durchsetzt, wobei die Leitungen 20 vom Wärmeaustauschmedium 21 durchströmt werden. Jede der drei Leitungen 20 ist dabei nach außen hin von Wärmeaustauschrippen 22 umgeben. In der Zeichnungsebene liegt eine Anströmöffhung 11, durch die hindurch Arbeitsmedium 13 in die Kammer 10 einströmt. Dabei sind die drei Leitungen 20 so angelegt, dass das ein- strömende Arbeitsmedium 13 an den Leitungen 20 direkt vorbeiströmt bzw. den Bereich der Wärmeaustauschrippen durchströmt. In der in der Figur dargestellten Ausführungsform sind also einer Anströmöffhung 11 mehrere Leitungen 20 zugeordnet. In Längsrichtung der Wärmeaustauscheinrichtung 99 können diesen Leitungen jedoch noch weitere Anströmöffhungen 11 und alternativ oder ergänzend auch eine oder mehrere Abströmöffhungen 12 zugeordnet sein, wie dies bei den Längsschnitten gemäß den Figuren 3 und 4 nachfolgend noch dargestellt ist.

Dabei erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium 13 und dem Wärmeaustauschmedium 21 zum einen dadurch, dass beim Einströmen das Arbeitsmedium 13 in Kontakt mit den Wärmeaustauschrippen 22 gelangt und zum anderen dadurch, dass sich das Arbeitsmedium 13 nachfolgend innerhalb der Kammer 10 aufhält und dadurch in Form von freier Konvektion gekühlt wird.

Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung sind die Leitungen 20 als run- de Rohre ausgebildet, die ebenso von in der Außenkontur kreisförmigen Wärmeaustauschrippen umgeben sind, die vorzugsweise in einer um die Leitung 20 herum radial verlaufenden Ebene liegen, wie dies beispielsweise in der Fig. 5b dargestellt ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Variante der Ausgestaltung einer Abgaswärmeaustauscheinrichtung. Die Wärmeaustauscheinrichtungen 99 der Fig. 1 und 2 entsprechen einander im Wesentlichen, so dass in der Fig. 2 lediglich die Unterschiede zwischen den beiden Ausgestaltungen dargestellt sind. Bei der Gestaltung der Wärmeaustauschrippen 22 der Fig. 2 wurde eine rechteckförmige Außenkontur gebildet, so dass die Wärmeaustauschrippen einen unterbrochenen Bereich der Kammer bilden, der spaltfrei mit Wärmeaustauschrippen versehen ist. Daneben ist ein gesonderter Speicher 14 ausgebildet, der Wärmeaustauschrippenfrei ist und das wesentliche Speichervolumen der Kammer 10 bildet. Im Übrigen kann die Gestaltung der Wärmeaustauscheinrichtung 99 der Fig. 2 entsprechend der Fig. 1 ausgestaltet sein. Durch diese Ausbildung der Wärmeaustauschrippen wird zum einen die Wärmeaus- tauschfläche vergrössert und zum anderen eine bessere Führung des anströmenden Arbeitsmediums durch den verrippten Bereich erreicht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Querschnitte durch den Aufbau erfindungsgemäßer Wärmeaustauscheinrichtungen 99. Die nachfolgend beschriebenen Figuren 3 und 4 zeigen Schnitte in Längsrichtung der Kammer 10.

Die Fig. 3 zeigt eine Wärmeaustauscheinrichtung 99 mit ihrer Kammer 10, die in Längsrichtung von einer Leitung 20 durchsetzt wird. Die Leitung 20 weist dabei außenseitig, in die Kammer 10 hinein abragende Wärmeaustauschrippen auf, wobei die Leitung gemäß den Pfeilen 23 vom Wärmeaustauschmedium 21 durchströmt wird. Dabei sind die Wärmeaustauschrippen 22 gemäß der Darstellung radial von der Leitung 20 äbragend ausgerichtet. Das Arbeitsmedium 13 strömt durch die Anströmöffhungen 11 in die Arbeitskammer 10. Die Anströmöffhungen 11 sind dabei in Längsrichtung des Verlaufes der Leitung 20 nebeneinander angeordnet, sie könnten jedoch - entgegen der zeichnerischen Darstel- lung auch in Vertikalrichtung zueinander versetzt angeordnet sein und damit nicht unbedingt der gleichen Leitung 20 zugeordnet sein. Das anströmende Arbeitsmedium 13 gelangt dabei zunächst in den Bereich der Leitungen 20 und der Wärmeaustauschrippen 22 und durchströmt diesen gemäß den Strömungspfeilen 16. Darüber hinaus weist die Kammer 10 noch einen Speicherbereich 14 auf, in den keine Wärmeaustauschrippen 22 hinein- ragen und der den größten Volumenanteil am Arbeitsmedium 13 speichert. In diesem Bereich wird das Arbeitsmedium durch freie Konvektion konditioniert, wobei Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium weiterhin stattfindet. Bei allen Darstellungen der Konditionierung des Arbeitsmediums durch Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium kann es sich um ein Kühlen oder ein Erwärmen des Arbeitsmediums handeln. Die Art der Konditionierung wird allein dadurch bestimmt, in welcher Richtung eine Temperaturdifferenz vorherrscht. Gleich ob ein Erwärmen oder ein Kühlen vorgenommen wird, der prinzipielle Aufbau der Wärmeaustauscheinrichtung gemäß der Erfindung wird hierdurch nicht beeinflusst. In der Fig. 3 sind zwei alternativ oder zugleich verwendbare Anordnungen von Abströmöffhungen 12 dargestellt. Die eine Abströmöffhung 12 ist dabei in Verlängerung der in Längsrichtung erfolgenden Anordnung der Anströmöffhungen 11 angeordnet, während die andere axial von dem Speicherbereich wegführt. Bei der erstgenannten Abströmöffhung 12 durchströmt das abströmende Arbeitsmedium 13 nochmals den Bereich mit der wenigstens einen Leitung 20 und den Wärmeaustauschrippen 22 während bei der zweitgenannten Ar- beistöffhung das Arbeitsmedium die Abströmöffhung 12 direkt vom Speicherbereich 14 weg durchströmt ohne nochmals an den Wärmeaustauschrippen 22 und der Leitung 20 direkt vorbeizuströmen. Bei beiden Abströmöffhung kann ein Ventil 15 vorgesehen sein, durch welches ein Abströmen steuerbar ist, wobei die Ventile zweier Abströmöffhungen voneinander unabhängig betätigbar ausgebildet sein können.

Die Fig. 4 zeigt ebenfalls einen Längsschnitt durch die Kammer 10 einer Wärmeaustauscheinrichtung oder eines Druckkühlers. An einer Längsseite der Kammer 10 sind alternie- rend Anströmöffhungen 11 und Abströmöffnungen 12 angeordnet. In der Kammer 10 ist in Anströmrichtung 16 gesehen zunächst ein Zwischenraum 18 ausgebildet. In dem Zwischenraum 18 sind Trennstege 19 angeordnet, die An- und Abströmöffhungen zugeordnete Bereiche des Zwischenraums 18 voneinander trennen.

In die Kammer 10 einströmendes Arbeitsmedium fließt gemäß den Strömungspfeilen 16 zunächst durch eine Anströmöffhung 11 und gelangt dann, den Zwischenraum 18 durchströmend, zunächst in den Bereich, der die Wärmeaustauschrippen 22 aufweist. Dabei wird auch die Leitung 20 umströmt. Das Arbeitsmedium gelangt dann in den Überströmbereich 14. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es besonders günstig, wenn die Wärmeaus- tauschrippen 22 gegenüber der Längsrichtung der Erstreckung der Leitung 20 radial abragend ausgerichtet sind und hierdurch strömungsleitend wirken, wobei gleichzeitig ein langer Kontakt mit den eine Wärmeaustauschfläche bildenden Wärmeaustauschrippen 22 gewährleistet wird. In dem Überströmbereich 14 findet eine weitere Konditionierung des Arbeitsmediums 13 durch freie Konvektion statt. Eine Konditionierung des Arbeitsmediums durch freie Konvektion findet auch in dem Zwischenraum 18 statt. Das Arbeitsmedium strömt gemäß den Strömungspfeilen 17 zu den Abströmöffhungen 12, wobei wiederum der Bereich der Leitung 20 und der Wärmeaustauschrippen 22 um- bzw. durchströmt wird. Darüber hinaus kann noch eine direkt von dem Überströmbereich 14 wegführende Aus- trittsöffhung 12 vorgesehen sein. Eine alternative Ausgestaltung kann auch vorsehen, dass seitlich lediglich Zuströmöffhungen 11 angeordnet sind, wobei der Zwischenraum 18 zwischen zwei Anströmöffhungen dann mit Trennstegen 19 voneinander getrennt ist und ein Vermengen der einzelnen zuströmenden Arbeitsmedienströme erst in dem Überströmbereich 14 stattfindet. Das Abströmen erfolgt dann durch die einzige, direkt von dem Überströmbereich 14 wegführende Abströmöff ung 12, welche vorher als zusätzliche Abströmöffhung bezeichnet worden ist und in Längsrichtung aus der Kammer 10 hinausführt.

Die Fig. 5 zeigt Rippen 22, die radial vom Rohr 20 abragen und beispielsweise kreisscheibenförmig um das Rohr herum verlaufen. Die Verwendung derart ausgerichteter Rippen 22 ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Zu- bzw. Abströmung des Arbeitsmediums senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Rohres 20 erfolgt und eine Querströmung des Arbeitsmediums 13 zur Durchströmung des Rohres 20 beim An- oder Abströmen erfolgt. Die Wär- meaustauschrippen sind insbesondere parallel zur Wirkrichtung der Gravitationskraft ausgebildet. Vorzugsweise liegt die Rippenhöhe zwischen 1mm bis ca. 40mm und der Rippenabstand liegt zwischen 0,1 bis ca. 20mm.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wärmeaustauscheinrichtung 100 ge- maß der vorliegenden Erfindung dargestellt, das im Wesentlichen der Ausführung in Fig. 1 entspricht. Arbeitsmedium 113 strömt durch eine Anströmöffhung 111 hindurch in eine Kammer 110 ein. Die Kammer 110 ist von Leitungen 120 durchsetzt, die von einem Wärmeaustauschmedium 121 durchströmbar und von Wärmeaustauschrippen 122 umgeben sind. In einer Wandung 130 der Kammer 110 ist für einen zusätzlichen Wärmeaus- tausch zwischen dem Wärmeaustauschmedium 121 und dem Arbeitsmedium 113 eine weitere Leitung 140 für das Wärmeaustauschmedium 121 vorgesehen, so daß die Kammer 110 von der Leitung 140 begrenzt ist. Die Leitung 140 ist dabei derart ausgebildet, dass sie wenigstens einen Teil der Kammer 110 umgibt. Für eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche zwischen der Kammer 110 und der Leitung 140 weist die Wandung 130 Wärmeaustauschrippen 150 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel parallel zu den die Kammer 110 durchsetzenden Leitungen 120 und senkrecht zu deren Wärmeaustauschrippen 122 ausgerichtet sind. Fig. 7 zeigt eine Wärmeaustauscheinrichtung 200, die sich von der Wärmeaustauscheinrichtung 100 in Fig. 6 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die Wärmeaustauschrippen 222 der Leitungen 220 den Querschnitt der Kammer 210 in erhöhtem Maße ausfüllen, woraus eine weitere Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche zwischen dem Arbeitsmedium 213 und dem Wärmeaustauschmedium 221 resultiert, ähnlich wie bei der in Fig. 2 dargestellten Wärmeaustauscheinrichtung 99.

Fig. 8 zeigt eine Wärmeaustauscheinrichtung 300 in einem Längsschnitt. Die Wärmeaustauscheinrichtung 300 entspricht im Wesentlichen der Wärmeaustauscheinrichtung 100 in Fig. 6 und weist Einströmöffiiungen 311, eine Kammer 310 und Ausströmöffnungen 312 für ein Arbeitsmedium 313 sowie eine Einströmöffhung 324, Leitungen 320, 340 und eine Ausströmöffnung 325 für ein Wärmeaustauschmedium 321 auf, wobei die Leitungen 320 und 340 mit Wärmeaustauschrippen 322 beziehungsweise 350 versehen sind.

Ein Arbeitsmittelstrom 313, der durch die Eintrittsöffiiungen 311 hindurch in die Kammer 310 einstritt, wird von den Wärmeaustauschrippen 322 entlang des Pfeils 355 zu den Wärmeaustauschrippen 350 geleitet, bewegt sich dann in Richtung des Pfeils 360 und tritt beispielsweise entlang eines der Pfeile 365, 366 erneut durch die Wärmeaustauschrippen 322 hindurch und schließlich durch die Austrittsöffhungen 312 aus der Kammer 310 aus. Die Rippen 322, 350 bilden durch ihre derartige Anordnung Strömungsleitmittel für das Arbeitsmittel 313, wodurch ein erhöhter und unter Umständen kontrollierter Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmittel 313 und dem entlang der Pfeile 370 strömenden Wärmeaustauschmittel 321 ermöglicht wird.

Da bei der Wärmeaustauscheinrichtung 300 keine der Einströmöffiiungen 311 eindeutig einer der Ausströmöffnungen 312 zugeordnet ist, kann Arbeitsmittel 313 der Kammer 310 beliebig durch eine oder mehrere Einströmöffiiungen 311 zugeführt und/oder durch eine oder mehrere Aussfrömöffimngen 312 entnommen werden.

Fig. 9 zeigt eine vereinfachte Ausführung der Wärmeaustauscheinrichtung 300 aus Fig. 8. Die Wärmeaustauscheinrichtung 400 weist eine Kammer 410 mit einer die Kammer 410 durchsetzenden, mit Rippen 422 versehenen Leitung 420 für ein Wärmeaustauschmedium 421 sowie eine Wandung 430 mit Rippen 450 auf. Die Rippen 450 dienen dabei einer Steigerung eines Wärmeaustausches zwischen Arbeitsmedium 413 in der Kammer 410 und der Umgebung der Wärmeaustauscheinrichtung 400. Bei einem nicht gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist in der Wandung 430 eine weitere Leitung für ein Wärmeaustauschmittel angeordnet, ähnlich wie bei der Ausführungsform in Fig. 8.

Die Rippen 450 sind jeweils unterbrochen, wobei die Unterbrechungen vorzugsweise jeweils im Bereich einer Ein- oder Ausströmöffhung 411, 412 für das Arbeitsmedium 413, um einen Strömungs iderstand für das Arbeitsmedium 413 in diesen Bereichen zu reduzieren, wodurch sich für das Arbeitsmedium vorteilhaft ein verringerter Druckverlust in der Kammer 410 ergibt. Im Übrigen stellt sich die Funktionsweise der Wärmeaustau- scheinrichtung 400 derart dar, wie anhand Fig. 8 beschrieben.

Claims

P atentansprüche

1. Wärmeaustauscheinrichtung mit einem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium , wobei das Arbeitsmedium im Sinne des Erzeugens eines erwünschten Arbeitspunktes durch Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium über Wärmeaustauschflächen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kam- mer ausgebildet ist, wobei in die Kammer Arbeitsmedium einströmt und die Kammer von wenigstens einer Leitung durchsetzt und/oder begrenzt, insbesondere umgeben ist, welche von Wärmeaustauschmedium durchströmt wird.

2. Wärmeaustauscheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer in Richtung ihrer größten Längsausdehnung von wenigstens einer Leitung durchsetzt wird.

3. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch loder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leitung Wärmeaustauschrippen aufweist.

4. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrippen auf der Außenseite der Leitung angeordnet sind, und von der Leitung in die Kammer hinein abragen.

5. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Wärmeaustauschrippen bezüglich der Verlaufsrichtung der wenigstens einen Leitung senkrecht stehend, insbesondere radial abragend ausgebildet sind.

6. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Wärmeaustauschrippen entsprechend der Anströmrichtung des

Arbeitsmediums in die Kammer ausgebildet sind

7. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrippen entsprechend der Abströmrichtung des Arbeitsmediums aus der Kammer ausgebildet sind.

8. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leitung im Bereich wenigstens einer Anströmöffhung der Kammer ausgebildet ist.

9. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anströmöffhungen vorgesehen sind, wobei im Bereich jeder Anströmöffhung eine Leitung verläuft.

10. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass meh- reren Anströmöffhungen j eweils eine gemeinsame Leitung zugeordnet ist.

11. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 9, dass jeder Anströmöffhung eine andere Leitung zugeordnet ist.

12. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leitung im Bereich wenigstens einer Abströmöffnung ausgebildet ist.

13. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abströmöffhungen vorgesehen sind, wobei im Bereich jeder Abströmöffnung eine Leitung verläuft.

14. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Abströmöffhungen jeweils eine gemeinsame Leitung zugeordnet ist.

15. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abströmöffhung eine andere Leitung zugeordnet ist.

16. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leitung wenigstens eine Anströmöffhung und wenigstens eine Abströmöffhung zugeordnet ist, wobei vorzugsweise wenigstens eine und insbesondere genau eine Ansfrömöff ung und genau eine Abströmöffhung zu- geordnet ist.

17. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine die Kammer umgebende Leitung in einer Wandung der Kammer angeordnet ist, wobei die Wandung insbesondere mit Wär- meaustauschrippen versehen ist.

18. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeaustauschrippen der Wandung mit Wärmeaustauschrippen einer die Kammer durchsetzenden Leitung Strömungsleitmittel für das Arbeitsmedium bilden.

19. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium auf dem Fließpfad von Anströmöffhung zu Abströmöffhung den mit Wärmeaustauschrippen versehenen Bereich durchströmt.

20. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer einen Speicherbehälter für Arbeitsmedium bildet.

21. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die

Kammer einen Druckspeicher bildet.

22. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer Bestandteil eines Funktionselements eines Fahr- zeugs ist.

23. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer integrierter Bestandteil eines Motorbauteils, insbesondere der Abgasfüh- rung eines Motors, einer Abgasrückfuhreinrichtung, einer Bremseinrichtung oder eines Kompressors.

24. Wärmeaustäuscheinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer unmittelbar im Bereich des Motorblocks ausgebildet oder Bestandteil desselben ist.

25. Wärmeaustäuscheinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenhöhe zwischen 1mm bis ca. 40mm und der Rip- penäbstand zwischen 0,1 bis ca. 20mm beträgt.

26. Verfahren zum Konditionieren eines Arbeitsmediums mittels eines Wärmeaustauschmediums, dadurch gekennzeichnet dass das Arbeitsmedium in eine Kammer einströmt und das Wärmeaustauschmedium wenigstens eine Leitung durchströmt, die die Kammer durchsetzt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionieren des Arbeitsmediums in der Kammer mindestens teilweise durch freie Konvektion erfolgt.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium zumindest beim An- oder beim Abströmen zu der Kammer bzw. aus der Kammer einen mit Wärmeaustauschrippen versehenen Bereich durchströmt.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrippen in An- bzw. Abströmrichtung des Arbeitsmediums ausgerichtet sind.

30. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrippen in Richtung des Verlaufs einer Konvektionsströmung in der Kammer ausgerichtet sind.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in der Kammer gespeichert wird, wobei das Arbeitsmedium in der Kammer druckbeaufschlagt ist.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium dem Betreib eines Motors oder einer Bremseinrichtung eines Fahrzeugs dient.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung des Verfahrens unter Verwendung einer Wärmeaustäuscheinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23 erfolgt.