EP3077751A1 - Wärmeübertrager und verfahren zum herstellen eines wärmeübertragers - Google Patents

Wärmeübertrager und verfahren zum herstellen eines wärmeübertragers

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EP3077751A1
EP3077751A1 EP14808991.5A EP14808991A EP3077751A1 EP 3077751 A1 EP3077751 A1 EP 3077751A1 EP 14808991 A EP14808991 A EP 14808991A EP 3077751 A1 EP3077751 A1 EP 3077751A1
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EP
European Patent Office
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rib
section
segment
ribs
heat exchanger
Prior art date
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EP14808991.5A
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Peter Neidenberger
Tobias PFANNENSTIEL
Björn SMIGIEL
Achim HOLZWARTH
Florian LARISCH
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Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
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Publication date
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    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger having an inner guide for guiding a fluid and having a planteabloomianus for dissipating heat of the fluid, wherein the abcountryianu has a longitudinally extending cavity within which extends at least one end of the inner guide, wherein the tail has an orifice comprising, facing a bottom surface of the cavity for introducing the fluid into a bottom region of the cavity, wherein between a outer surface of the inner guide and an inner surface of the abgradifiess a longitudinally extending flow space for guiding the fluid away from the bottom region is formed ,
  • the invention also relates to a method for producing a heat exchanger.
  • the heat exchanger is used in an exhaust system of a motor vehicle in order to dissipate as much of the heat as possible of the hot exhaust gas generated in the engine of the motor vehicle, for example by transfer to a heat transfer fluid. A possible overheating of the exhaust system can be avoided.
  • the heat taken from the exhaust gas can be used for heating purposes, for example for heating a passenger compartment of the vehicle.
  • the heat exchanger is part of a heater or it is connected to a heater, for example in a vehicle.
  • the possible uses of the heat exchanger described in this application are not limited to the vehicle sector. Rather, the heat exchanger is in principle suitable for any application in which a fluid, that is, a liquid or gaseous medium, heat withdrawn or supplied. It is an object of the invention to provide a heat exchanger, which is as simple as possible structured and accordingly easy to manufacture and on the other hand, a high efficiency, that is, the highest possible heat transfer rate. This object is achieved with the characterizing feature of claim 1.
  • the heat exchanger according to the invention builds on the prior art in that the inner circumferential surface of the sauab fertilianus has a first and a second portion, wherein the first portion has at least two transversely offset ribs and wherein the second portion has at least two transversely offset ribs and wherein at least one rib of the second portion is transversely offset relative to each rib of the first portion, or at least one rib of the second portion is transversely offset relative to each rib of the first portion.
  • At least two, three, four, five or six ribs of the first or second section are transversely offset relative to each rib of the second and first sections, respectively.
  • each rib of the first section is transversely offset relative to each rib of the second section.
  • a rib of a heat exchanger is arranged in the flow region of the heat exchanger component, which increases the effective area of the heat exchanger and thus improves the efficiency of the heat exchanger.
  • Each section may, for example, be wavy or rippled. In this case, each ridge or ridge formation forms a rib.
  • the ribs of any section may extend parallel to each other and be equidistant. This can promote the most uniform possible flow through the cavity with the fluid.
  • the ribs can be elongated.
  • the length of each rib may be more than three times or even more than ten times the maximum dimension of the rib across the flowpath.
  • a direction transverse to the longitudinal direction is also referred to as a transverse direction.
  • the ribs of the two sections are transversely offset relative to one another.
  • the inner lateral surface of the heat dissipation body is thus discontinuous at the boundary between the two sections. This promotes the formation of turbulence at the boundary between the sections and thus promotes a mixing of near-surface parts of the fluid with surface-distant parts of the fluid at the transition between the first section and the second section.
  • Each rib of the first section may have an end face facing the second section.
  • Each rib of the second section may have an end face facing the first section.
  • a rib of the first portion is considered transversely offset to a rib of the second portion (second rib) just when the projection of the end face of the first rib on a transverse plane (first projection) and the projection of the end face of the second rib on the same transverse plane (second projection) are offset in the sense that neither of the two projections completely covers the other.
  • a transversal plane or transversal plane is a plane perpendicular to the longitudinal direction, ie a plane with a normal vector which is parallel to the longitudinal direction.
  • a projection is an orthogonal projection. For example, it may be provided that the first projection covers less than 70 percent, less than 20 percent, or even less than 10 percent of the area of the second projection.
  • the second projection covers less than 70 percent, less than 20 percent, or even less than 10 percent of the area of the first projection.
  • the two projections do not overlap. The least possible overlap of the two projections is considered advantageous for the generation of turbulence.
  • the heat dissipation body may comprise a molded or extruded first segment having the first portion and a cast or extruded second segment having the second portion.
  • the heat dissipation body can thus be produced in a straightforward manner, by first producing the first segment and the second segment separately and then joining them together. The abrupt transition from the first section to the second section described above can thus be realized in a straightforward manner.
  • the two individual segments can be manufactured, for example, with the help of already designed or existing machines.
  • the first segment and the second segment may be identical. In this case, the need to produce different segments is eliminated and a particular That's a cheap manufacturing process.
  • the cherriesab Bloommaschine may have more than two identical segments.
  • the first and second portions may be arranged such that each rib of the first portion extends to a channel extending between two adjacent ribs of the second portion. In this case, each rib of the first section then merges into a channel of the second section. At the transition from the rib to the channel, vortices may form in the fluid. It can be provided that the rib completely or partially obscures the channel to which it extends. That is, a channel facing end surface of the rib and a transverse cross-sectional area of the channel at its abutting the rib channel beginning or channel end completely or partially overlap. For example, it may be provided that the rib obscures the cross-sectional area of the channel to which it extends more than 20 percent, more than 50 percent, more than 80 percent, or even 100 percent.
  • a respective channel extending to a rib of the second section is provided between each two adjacent ribs of the first section.
  • the channel formed between the adjacent ribs of the first section thus merges into a rib of the second section at the boundary between the two sections.
  • the abrupt transition from the channel to the rib favors the mixing of the fluid.
  • the rib completely or partially obscures the channel that extends to it. That is, a channel facing end surface of the rib and a transverse cross-sectional area of the channel at its abutting the rib channel beginning or channel end completely or partially overlap.
  • the rib will obscure the cross-sectional area of the channel that extends to it to more than 20 percent, more than 50 percent, more than 80 percent, or even 100 percent.
  • the heat dissipation body or at least its inner circumferential surface may have a rotation symmetry axis. This means that the heat dissipation body or at least its inner circumferential surface are converted into themselves in a hypothetical rotation about the rotational axis of symmetry, that is, are invariant under the rotation in question. Such symmetry can bring a high degree of efficiency and also facilitate the production of the cherriesabloom stressess.
  • the ribs of the first section and the ribs of the second section may each be elongated and extend in the longitudinal direction.
  • the ribs may each be aligned substantially parallel to the longitudinal direction.
  • Such a rib structure can be particularly easy to manufacture.
  • each of the ribs may have a substantially constant transverse cross section. This means that the transverse cross-section of the rib is substantially constant at least on a portion along the longitudinal direction. This section is referred to as a "constant section ribbed section".
  • the length of the constant section rib section may be greater than 50 percent, greater than 80 percent, or even greater than 90 percent of the length of the rib.
  • a transversal cross section is a cross section perpendicular to the longitudinal direction.
  • the transversal cross section of the rib may be substantially constant in the sense that on the constant sectioned rib section all changes in the transverse section are small compared to the dimensions of the section, for example compared to the width and / or height of the section ,
  • the rib portion with constant cross-section substantially has the shape of a finite portion of a geometric body which is invariant under infinitesimal translations in the longitudinal direction.
  • a set of geometric points is invariant under infinitesimal translations when an infinitesimal translation translates each of the points to a different point of the same set.
  • the rib section with constant cross section or even the entire rib may have the shape of a cylinder. ben.
  • the cross-sectional area of the cylinder may have any shape, for example, substantially the shape of a rectangle.
  • the ribs of the first section and the ribs of the second section may also be advantageous for the ribs of the first section and the ribs of the second section to extend in the longitudinal direction over the entire relevant section.
  • Such a heat dissipation body can be comparatively easy to manufacture.
  • the inner guide can contain a combustion chamber or communicate with a combustion chamber. A portion of the heat generated during combustion can thus be dissipated via the heat dissipation body and fed to a destination, for example a passenger compartment of a motor vehicle.
  • the inner jacket surface of the heat dissipation body has a third section adjoining the second section with at least two mutually transversely offset ribs, wherein at least one rib of the third section is offset transversely relative to each rib of the second section or at least a rib of the second portion is transversely offset relative to each rib of the third portion.
  • Transversal as explained above, means "transverse to the longitudinal direction”.
  • a further swirling zone is created, namely at the boundary between the second and the third section.
  • the inner circumferential surface of the heat dissipation body has further sections with the features described with respect to the first and the second section.
  • the heat exchanger may be manufactured in a process comprising the steps of: preparing a first segment having the first portion; Producing a second segment having the second portion; and joining the first segment and the second segment.
  • This method can be particularly uncomplicated to carry out, since the inner lateral surfaces of the two individual segments are structured simpler than the composite inner circumferential surface.
  • the heat sink is made in one piece, for example, by a salt core method.
  • the first and second segments may be manufactured separately by casting or extrusion molding.
  • the segments can also be composed of individual components, for example by welding. If the two segments are identical, they can be successively manufactured using a common manufacturing device. If a casting process is chosen, it can be cast in succession in the same casting mold. The mold can thus be used twice.
  • the first segment and the second segment can be joined together by welding, for example. This is a cohesive connection. In this way, at the same time a seal of the cavity at the junction between see see the two segments succeed.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of an example of a heat exchanger.
  • Figure 2 is a schematic plan view of a first and a second segment
  • FIG. 3 is a shortened schematic oblique view of the first segment
  • Figure 4 is an unabridged schematic oblique view of the first segment
  • Figure 5 is a schematic plan view of the heat dissipation body of the heat exchanger
  • Figure 6 is a schematic plan view of the cherries abcountry Economics of the heat exchanger according to another embodiment
  • Figure 7 is a schematic plan view of a segment according to another embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic plan view of two segments according to a further exemplary embodiment
  • Figure 9 is a schematic plan view of a reserves abcountry Economics a heat exchanger with the segments of Figure 7;
  • FIG. 10 is a schematic view of an inner circumferential surface with three sections;
  • FIG. 11 is a flowchart of a method for producing a heat exchanger;
  • Figure 12 is a schematic plan view of two segments according to another
  • a plan view is a representation in which the longitudinal direction is perpendicular to the plane of the drawing, unless the context otherwise dictates.
  • like reference characters designate like or similar components.
  • Figure 1 shows schematically an example of a heat exchanger 10 with an inner guide 32 for guiding a fluid and with a Wegabloom Economics 12, 12 'for dissipating heat of the fluid.
  • the inner guide 32 may be a waveguide, for example a tube. It can in principle have any desired cross section, for example a circular or square cross section.
  • an interior 38 of the inner guide 32 serves as a combustion chamber.
  • the inner guide 32 can therefore also be referred to as a flame tube.
  • fuel (not shown) is combusted in a combustion region 40. This produces hot exhaust gas.
  • the inner guide 32 has an opening 42 through which the hot exhaust gas leaves the inner guide 32.
  • the heat dissipation body 12, 12 ' has a cavity 14, 14' extending in a longitudinal direction 36.
  • the heat dissipation body 12, 12 'and / or the inner guide 32 may have a rotational symmetry axis 16.
  • the longitudinal direction 36 is parallel to the rotational symmetry axis 16.
  • the tail 34 has the mouth 42.
  • the mouth 42 is a bottom surface 44 of the Cavity 14, 14 'facing.
  • fluid in the example hot exhaust, flows from the inner guide 32 via the orifice 42 into a bottom portion 46 of the cavity 14, 14 (the flow is indicated by arrows in the drawing).
  • a flow space for guiding the fluid away from the bottom region 46 is formed between an outer lateral surface 48 of the inner guide 32 and an inner lateral surface 20, 20 'of the heat dissipation body 12, 12'.
  • the flow space extends in the longitudinal direction 36.
  • the inner lateral surface 20, 20 'of the heat dissipation body 12, 12' has a first section 20 and a second section 20 'adjoining the first section 20.
  • the sauce abloomisme 12, 12 'on a side outlet for discharging the fluid.
  • the first section 20 has at least two ribs 22 (see FIGS. 2 to 9) which are offset transversely relative to one another. Transversal means perpendicular to the longitudinal direction 36.
  • the second section 20 ' has at least two ribs 22', which are transversely offset relative to each other.
  • each rib 22 'of the second portion 20' is transversely offset relative to each rib 22 of the first portion.
  • the heat dissipation body 12, 12 ' has a first segment 12 and an adjoining second segment 12'.
  • the first segment 12 may be pot-shaped.
  • the second segment 12 ' may be annular.
  • the cup-like first segment has a bottom portion whose inner surface forms the bottom surface 44 of the cavity.
  • the first segment 12 of the inner circumferential surface 20, 20 'of the bathabriosianus and a first portion 14 of the cavity 14, 14' are associated with the first segment.
  • the second segment 12 ' is associated with the second section 20' of the inner lateral surface 20, 20 'of the heat dissipation body and a first section 14 of the cavity 14, 14'.
  • FIG. 2 schematically shows a first segment 12 and a second segment 12 'of a heat dissipation body.
  • the two segments 12 and 12 ' are identical. To avoid repetition, therefore, only the first segment 12 will initially be described.
  • the segment 12 consists essentially of an annular or tubular segment body 24, which is traversed by a cavity 14.
  • the segment body 24 has a square outline, but other shapes are possible. According to a preferred embodiment (not shown) the outline of the segment body 24 is circular. From the segment body 24, at least two, in the example shown exactly four, ribs 22 rise into the cavity 14. The segment body 24 and the ribs 22 may be formed in one piece. The segment body 24 and the ribs 22 are preferably made of a material with high thermal conductivity, for example of a metal or a metal alloy.
  • the segment 12 has an inner lateral surface 20 which defines the cavity 14 and forms the aforementioned first section in the heat exchanger.
  • the four ribs 22 are mutually offset by 90 ° with respect to a rotational symmetry axis 16.
  • each of the ribs 22 extends along the longitudinal direction, in this case parallel to the axis of symmetry 16, over the entire inner circumferential surface from the inlet region to the outlet region of the segment body 24.
  • one or more ribs are shorter than the section in question does not extend over the entire section.
  • the ribs 22 'in the transverse direction are shorter than the ribs 22.
  • Figure 3 shows a schematic oblique view of the segment 12, in which the segment 12 is shown shortened for reasons of clarity.
  • the ribs are elongate along the longitudinal direction (see the unabridged representation in Figure 4). This makes it possible to provide a comparatively long heat transfer path with a comparatively small number of segments.
  • FIG. 5 schematically shows two segments 12 and 12 '(see FIG. 2) of a heat dissipation body of a heat exchanger 10.
  • the heat dissipation body additionally has a bottom segment (not shown) corresponding to the segment 12 in FIG.
  • the heat dissipation body 12, 12 ' serves to transfer heat from the fluid to the heat dissipation body 12, 12' or from the heat dissipation body 12, 12 'to the fluid.
  • the heat dissipation body 12, 12 ' has a cavity 14, 14' composed of the cavities 14 and 14 ', through which the fluid can flow through along a longitudinal direction.
  • the flow path in FIG. 4 runs perpendicular to the plane of the drawing.
  • the inner circumferential surface 20 of the first segment 12 forms a first section of the inner surface 20, 20 'of the heat dissipation body 12, 12'.
  • the inner circumferential surface 20 'of the second segment 12' forms a second abutment adjoining the first section 20. cut the inner circumferential surface of the saukaworkss 12, 12 '.
  • the first section 20 thus has at least two ribs 22, in the example shown exactly four ribs 22.
  • the second section 20 ' at least two ribs 22', in the example shown exactly four ribs 22 '.
  • the ribs 22 and 22 'of the first segment 12 and of the second segment 12' are offset relative to one another transversely, that is to say transversely to the main flow direction.
  • this is achieved in that the second segment 12 'is arranged rotated by 45 ° relative to the first segment 12 about the common rotational symmetry axis 16, 16'.
  • each rib 22 'of the second portion 20' is transversely offset relative to each rib 22 of the first portion.
  • the part of the cavity 14 located between two adjacent ribs 22 is also referred to as channel 26 in this application (see FIG. 2). The same applies analogously to the second segment 12 '.
  • the segments 12 and 12 'thus each have at least two channels 26 and 26', respectively. In the example shown, there are exactly four channels 26 and 26 'per segment.
  • the displacement of the ribs 22 relative to the ribs 22 'described with reference to Figure 5 results in that at the boundary between the two segments 12 and 12', each channel 26 meets a rib 22 'while each rib 22 encounters a channel 26 'hits. This arrangement favors a mixing within the fluid, which flows through the heat dissipation body 12, 12 '.
  • Figure 7 shows schematically an example of a segment 12 with exactly eight ribs 22 and octagonal outline. In other examples (not shown), the segment 12 has more than eight ribs.
  • Figure 8 and Figure 9 show an example of an embodiment in which the banksabgradores analyses a first and a structurally identical second segment having the first and the second portion, wherein the first segment and the second segment relative to each other by 180 ° about an axis perpendicular to the longitudinal axis are arranged rotated.
  • the two segments may be formed, for example, as substantially rectangular frames, wherein on two opposite inner surfaces of the Frame are each formed a plurality of parallel equidistant ribs.
  • the segment body 24 or 24 'of the segment 12 or 12' has a substantially rectangular cross-section.
  • the orientation of the second segment 12 'shown in FIG. 8 emerges from that of the first segment 12, in which the segment 12 is rotated 180 ° about an axis 30 perpendicular to the main flow direction.
  • Figure 10 shows schematically an example of an embodiment in which the inner surface of the dinab fossil sciencess has at least three successive sections, for example, a first section with ribs 22, a subsequent second section with ribs 22 'and a subsequent to the second section third section Ribs 22 "The design possibilities and advantages described in this application with regard to the combination of the first and second sections are correspondingly transferable to the combination of the second and third sections
  • the third section can represent, for example, a repetition of the first section, that is to say it may be geometrically similar to the first section
  • the third section may be translatable into the first section by a displacement in the longitudinal direction
  • each rib 22 of the first section and each rib 22 "of the d rode section transversely to each rib 22 'of the second section offset.
  • each rib 22 of the first portion is aligned with each rib 22 "of the second portion.
  • the inner circumferential surface may have an alternating sequence of N sections.
  • the number N of the sections may be, for example, 3, 4, 5, 6 or more.
  • the sections may be numbered 1 to N.
  • Such an embodiment leads to a high heat transfer.
  • Each section can be realized by a module or segment, which allows an efficient production.
  • a manufacturing process is illustrated by the flowchart in FIG. 11.
  • a first step S1 individual segments are produced.
  • at least two segments are identical in order to keep the cost of the manufacturing process as low as possible.
  • the segments are joined together, so that the individual cavities of the segments into a single unite continuous cavity.
  • the segments are welded directly to each other, that is without the use of intermediate elements and in particular without the use of seals.
  • segments immediately following one another are aligned in such a way that the ribs of the succeeding segment are offset transversely relative to the ribs of the preceding segment.
  • FIG. 12 schematically shows an example of an embodiment in which each rib 22 of the first section 20 completely or partially obscures a channel 26 'of the second section.
  • the cross-sectional area of the channel 26 ' projects in its longitudinal direction completely towards the end face of the rib 22 facing the second section 20' at its channel beginning or channel end facing the first section 20.
  • the end face of a rib 22 of the first section 20 facing the second section 20 ' is larger than the cross-sectional area of the channel 26' covered by the rib 22 at its channel beginning or channel end facing the first section 20.
  • the end face of the rib 22 facing the second section 20 ' completely overlaps the cross-sectional area of the channel 26' at its channel beginning or channel end facing the first section 20, while the channel 26 'has its cross-sectional area at its channel end or channel end facing the first section 20 Section 20 'facing end face of the rib 22 overlaps only incompletely.
  • a channel 26 'of the second portion 20' and a rib 22 of the first portion 20 overlap each other transversely completely. That is to say, the end face of the rib 22 facing the second section 20 'completely overlaps the cross-sectional area of the channel 26' at its channel beginning or channel end facing the first section 20 and the cross-sectional area of the channel 26 'at its channel end facing the first section 20 or channel beginning overlaps the second portion 20 'facing end face of the rib 22 also completely. As a result, good heat transfer can be achieved with as little material as possible for the ribs. Further, in the example of FIG.
  • At least one of the ribs 22 of the first portion 20 is higher than each of the ribs 22 'of the adjoining second portion 20'.
  • the height of a rib is to be understood as meaning its transverse dimension starting from the inner guide 32, that is, from the ribbed projection.
  • at least one of the ribs 22 of the first section 20 extends transversely further into the cavity 14 (see FIG. 1) than the ribs 22 'of the adjoining second section 20'.
  • the height of a rib may be defined as its radial dimension. With higher ribs, a larger heat flow can be achieved.
  • a greater height of the rib on the first portion 20 may be particularly advantageous in the case where the first portion is upstream of the second portion, for example as in Figure 1, in which case the gas on the first portion is expected to be hotter than is on the second section.
  • the first portion 20 may include at least one rib 22 that is at least 10 percent, at least 20 percent, at least 50 percent, or even at least 100 percent higher than each rib 22 'of the second portion 20'.
  • the ribs 22 and 22 'of each section are densely packed in the example of FIG.
  • the spacings of adjacent ribs of a cut are small compared to a thickness measured across the longitudinal direction or the thickness of the ribs.
  • the combined cross-sectional area of all the ribs defined at the point is greater than the combined cross-sectional area of the channels formed between the ribs.
  • the combined cross-sectional area of the ribs or channels is the sum of the cross-sectional areas of the individual ribs or channels at the relevant location, that is to say in the relevant transverse plane.
  • the features explained with reference to FIG. 12 can be analogously transferred to each of the embodiments according to FIGS. 1 to 10.
  • the ribs 22 of the first section 20 have a greater height, that is, a larger radial dimension than the ribs 22 'of the second section 20'.
  • the distance from the rotational symmetry axis 16 to a rib 22 of the first section is less than the distance from the rotational symmetry axis 16 'to a rib 22'.
  • the ribs extend transversely within the cavity 14, 14 'but not necessarily to an opposite surface of the cavity.
  • each of the ribs 22 or 22 'in the transverse direction into the cavity 14, 14' protrudes, without hitting another solid structural element.
  • Each of the ribs thus has only one continuous surface, not a plurality, which can flow around the fluid.
  • the ribs can therefore also be referred to as fins.
  • the entire cavity 14, 14 ' is a coherent spatial area. This allows the formation of relatively large-scale turbulence patterns and good heat transfer within the flowing fluid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (10) mit einer Innenführung (32) zur Führung eines Fluids und mit einem Wärmeabführkörper (12, 12') zum Abführen von Wärme des Fluids, wobei der Wärmeabführkörper (12, 12') einen sich in einer Längsrichtung (36) erstreckenden Hohlraum (14, 14') aufweist, innerhalb dessen sich zumindest ein Endstück (34) der Innenführung (32) erstreckt, wobei das Endstück (34) eine Mündung (42) aufweist, die einer Bodenfläche (44) des Hohlraums (14, 14') zugewandt ist, zum Einleiten des Fluids in einen Bodenbereich (46) des Hohlraums (14, 14'), wobei zwischen einer äußeren Mantelfläche (48) der Innenführung (32) und einer inneren Mantelfläche (20, 20') des Wärmeabführkörpers (12, 12') ein Strömungsraum zur Führung des Fluids weg von dem Bodenbereich (46) ausgebildet ist, wobei sich der Strömungsraum in der Längsrichtung (36) erstreckt. Die innere Mantelfläche (20, 20') des Wärmeabführkörpers (12, 12') weist auf: einen ersten Abschnitt (20) mit wenigstens zwei Rippen (22), die relativ zueinander transversal versetzt sind, und einen sich an den ersten Abschnitt (20) anschließenden zweiten Abschnitt (20') mit wenigstens zwei Rippen (22'), die relativ zueinander transversal versetzt sind. Wenigstens eine Rippe (22') des zweiten Abschnitts (20') ist relativ zu jeder Rippe (22) des ersten Abschnitts (20) transversal versetzt ist oder wenigstens eine Rippe (22) des ersten Abschnitts (20) ist relativ zu jeder Rippe (22') des zweiten Abschnitts (20') transversal versetzt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmeübertragers.

Description

Wärmeübertrager und Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einer Innenführung zur Führung eines Fluids und mit einem Wärmeabführkörper zum Abführen von Wärme des Fluids, wobei der Wärmeabführkörper einen sich in einer Längsrichtung erstreckenden Hohlraum aufweist, innerhalb dessen sich zumindest ein Endstück der Innenführung erstreckt, wobei das Endstück eine Mündung aufweist, die einer Bodenfläche des Hohlraums zugewandt ist, zum Einleiten des Fluids in einen Bodenbereich des Hohlraums, wobei zwischen einer äußeren Mantelfläche der Innenführung und einer inneren Mantelfläche des Wärmeabführkörpers ein sich in der Längsrichtung erstreckender Strömungsraum zur Führung des Fluids weg von dem Bodenbereich ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers.
In einem ersten Anwendungsbeispiel wird der Wärmeübertrager in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet, um einen möglichst großen Teil der Wärme des im Motor des Kraftfahrzeugs erzeugten heißen Abgases abzuführen, zum Beispiel durch Übertra- gung auf eine Wärmetransportflüssigkeit. Eine mögliche Überhitzung des Abgasstrangs kann hierdurch vermieden werden. Darüber hinaus kann die dem Abgas entnommene Wärme für Heizzwecke genutzt werden, zum Beispiel zur Beheizung einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs. In einem zweiten Anwendungsbeispiel ist der Wärmeübertrager Teil eines Heizgerätes oder er ist an ein Heizgerät angeschlossen, zum Beispiel in einem Fahrzeug.
Die Einsatzmöglichkeiten des in dieser Anmeldung beschriebenen Wärmeübertragers beschränken sich nicht auf den Fahrzeugsektor. Vielmehr ist der Wärmeübertrager prinzipiell für jede Anwendung geeignet, bei der einem Fluid, das heißt, einem flüssigen oder gasförmigen Medium, Wärme entzogen oder zugeführt werden soll. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager anzugeben, der zum einen möglichst einfach strukturiert und dementsprechend einfach zu fertigen ist und zum anderen einen hohen Wirkungsgrad, das heißt eine möglichst hohe Wärmeübertragungsrate aufweist. Diese Aufgabe wird mit dem kennzeichnenden Merkmal von Anspruch 1 gelöst.
Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein möglichst unkompliziertes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmeübertragers anzugeben. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager baut auf den Stand der Technik dadurch auf, dass die innere Mantelfläche des Wärmeabführkörpers einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt wenigstens zwei transversal zueinander versetzte Rippen aufweist und wobei der zweite Abschnitt wenigstens zwei transversal zueinander versetzte Rippen aufweist und wobei wenigstens eine Rippe des zweiten Ab- Schnitts relativ zu jeder Rippe des ersten Abschnitts transversal versetzt ist oder wenigstens eine Rippe des zweiten Abschnitts relativ zu jeder Rippe des ersten Abschnitts transversal versetzt ist. Vorzugsweise sind wenigstens zwei, drei, vier, fünf oder sechs Rippen des ersten oder zweiten Abschnitts relativ zu jeder Rippe des zweiten beziehungsweise ersten Abschnitts transversal versetzt. Als optimal wird eine Ausführungsform erachtet, bei der jede Rippe des ersten Abschnitts relativ zu jeder Rippe des zweiten Abschnitts transversal versetzt ist. Eine Rippe eines Wärmetauschers ist ein im Strömungsbereich des Wärmetauschers angeordnetes Bauelement, welches die Wirkfläche des Wärmetauschers vergrößert und damit den Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessert. Jeder Abschnitt kann zum Beispiel gewellt oder geriffelt sein. In diesem Fall bildet jeder Wellenberg bezie- hungsweise jede Erhebung der Riffelung eine Rippe. Die Rippen eines beliebigen Abschnitts können sich parallel zueinander erstrecken und äquidistant sein. Dies kann eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Hohlraums mit dem Fluid begünstigen. Die Rippen können länglich sein. Zum Beispiel kann die Länge jeder Rippe mehr als das Dreifache oder sogar mehr als das Zehnfache der maximalen Abmessung der Rippe quer zum Strömungsweg betragen. Eine Richtung quer zu der Längsrichtung wird auch als transversale Richtung bezeichnet. Wie erwähnt, sind die Rippen der beiden Abschnitte relativ zueinander transversal versetzt. Die innere Mantelfläche des Wärmeabführkörpers ist damit an der Grenze zwischen den beiden Abschnitten unstetig. Dies begünstigt die Entstehung von Turbulenzen an der Grenze zwischen den Abschnitten und fördert damit eine Durch- mischung von oberflächennahen Teilen des Fluids mit oberflächenfernen Teilen des Fluids am Übergang zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt. Der Wirkungs- grad des Wärmeübertragers verbessert sich hierdurch im Vergleich zu einem Wärmeübertrager mit einer durchweg stetigen inneren Mantelfläche. Es kann vorteilhaft sein, dass mehr als zwei derartige aufeinanderfolgende Abschnitte vorgesehen sind. Jede Rippe des ersten Abschnitts kann eine dem zweiten Abschnitt zugewandte Stirnfläche aufweisen. Jede Rippe des zweiten Abschnitts kann eine dem ersten Abschnitt zugewandte Stirnfläche aufweisen. Vorzugsweise gilt eine Rippe des ersten Abschnitts (erste Rippe) als zu einer Rippe des zweiten Abschnitts (zweite Rippe) transversal versetzt genau dann, wenn die Projektion der Stirnfläche der ersten Rippe auf eine Transversalebene (erste Projektion) und die Projektion der Stirnfläche der zweiten Rippe auf dieselbe Transversalebene (zweite Projektion) zueinander in dem Sinne versetzt sind, dass keine der beiden Projektionen die andere vollständig überdeckt. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass keine der beiden genannten Stirnflächen vollständig auf die jeweils andere projiziert; die Stirnfläche der ersten Rippe projiziert somit nicht oder nur teilweise auf die Stirnfläche der zweiten Rippe, und die Stirnfläche der zweiten Rippe projiziert nicht oder nur teilweise auf die Stirnfläche der zweiten Rippe. Eine Transversalebene oder transversale Ebene ist eine zu der Längsrichtung senkrechte Ebene, also eine Ebene mit einem Normalenvektor, der parallel zur Längsrichtung steht. Unter einer Projektion ist eine Orthogonalprojektion zu verstehen. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass die erste Projektion weniger als 70 Prozent, weniger als 20 Prozent, oder sogar weniger als 10 Prozent der Fläche der zwei- ten Projektion überdeckt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die zweite Projektion weniger als 70 Prozent, weniger als 20 Prozent, oder sogar weniger als 10 Prozent der Fläche der ersten Projektion überdeckt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die beiden Projektionen nicht überlappen. Eine möglichst geringe Überlappung der beiden Projektionen wird als vorteilhaft für die Erzeugung von Turbulenzen erachtet.
Der Wärmeabführkörper kann ein gegossenes oder stranggepresstes erstes Segment mit dem ersten Abschnitt sowie ein gegossenes oder stranggepresstes zweites Segment mit dem zweiten Abschnitt aufweisen. Der Wärmeabführkörper kann somit auf unkomplizierte Weise hergestellt werden, indem zunächst das erste Segment und das zweite Segment separat hergestellt und dann zusammengefügt werden. Der oben beschriebene abrupte Übergang von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt lässt sich somit auf unkomplizierte Weise realisieren. Die beiden einzelnen Segmente können zum Beispiel mit Hilfe bereits konzipierter oder existierender Maschinen hergestellt werden. Das erste Segment und das zweite Segment können baugleich sein. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit, unterschiedliche Segmente herzustellen und es ergibt sich ein beson- ders preiswertiges Herstellungsverfahren. Der Wärmeabführkörper kann mehr als zwei baugleiche Segmente aufweisen.
Der erste und der zweite Abschnitt können derart angeordnet sein, dass sich jede Rippe des ersten Abschnitts bis zu einem zwischen zwei benachbarten Rippen des zweiten Abschnitts verlaufenden Kanal erstreckt. In diesem Fall geht also jede Rippe des ersten Abschnitts in einen Kanal des zweiten Abschnitts über. An dem Übergang von der Rippe zu dem Kanal können sich Wirbel im Fluid bilden. Es kann vorgesehen sein, dass die Rippe den Kanal, bis zu dem sie sich erstreckt, ganz oder teilweise verdeckt. Das heißt, eine dem Kanal zugewandte Stirnfläche der Rippe und eine transversale Querschnittsfläche des Kanals an seinem an die Rippe stoßenden Kanalanfang oder Kanalende überlappen vollständig oder teilweise. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass die Rippe die Querschnittsfläche des Kanals, bis zu dem sie sich erstreckt, zu mehr als 20 Prozent, mehr als 50 Prozent, mehr als 80 Prozent oder sogar zu 100 Prozent verdeckt.
Ebenso kann zwischen zwei benachbarten Rippen des ersten Abschnitts jeweils ein Kanal verlaufen, der sich bis an eine Rippe des zweiten Abschnitts erstreckt. Der zwischen den benachbarten Rippen des ersten Abschnitts ausgebildete Kanal geht somit an der Grenze zwischen den beiden Abschnitten in eine Rippe des zweiten Abschnitts über. Der abrupte Übergang von dem Kanal zur Rippe begünstigt die Durchmischung des Fluids. Es kann vorgesehen sein, dass die Rippe den Kanal, der sich bis an sie erstreckt, ganz oder teilweise verdeckt. Das heißt, eine dem Kanal zugewandte Stirnfläche der Rippe und eine transversale Querschnittsfläche des Kanals an seinem an die Rippe stoßenden Kanalanfang oder Kanalende überlappen vollständig oder teilweise. Zum Beispiel kann vorgese- hen sein, dass die Rippe die Querschnittsfläche des Kanals, der sich bis an sie erstreckt, zu mehr als 20 Prozent, mehr als 50 Prozent, mehr als 80 Prozent oder sogar zu 100 Prozent verdeckt.
Der Wärmeabführkörper oder zumindest seine innere Mantelfläche kann eine Rotations- Symmetrieachse aufweisen. Dies bedeutet, dass der Wärmeabführkörper oder zumindest seine innere Mantelfläche bei einer hypothetischen Drehung um die Rotationssymmetrieachse in sich selbst überführt werden, also invariant unter der betreffenden Drehung sind. Eine derartige Symmetrie kann einen hohen Wirkungsgrad mit sich bringen und auch die Fertigung des Wärmeabführkörpers erleichtern. Beispielsweise können der erste und der zweite Abschnitt jeweils N Rippen aufweisen, wobei die Position der i-ten Rippe des ersten Abschnitts einen Azimutalwinkel von 3607N*i besitzt, wobei i=0,...,N-1 , und wobei eine Konstante α im Intervall (0; 14] existiert, so dass die Position der j-ten Rippe des zweiten Abschnitts einen Azimutalwinkel von 3607N*(j+a) besitzt, wobei j=0,...,N-1 . Vorzugsweise liegt die Konstante α im Intervall [1/10; Yz], d.h., 0.1 =< α =< 0.5 Im Fall a=1/2 kann die innere Mantelfläche oder sogar der gesamte Wärmeabführkörper symmetrisch unter Drehungen von jeweils 180 N um die Rotationssymmetrieachse sein. Sind insgesamt M Segmente vorgesehen, so kann es vorteilhaft sein, dass die Position der j-ten Rippe des k-ten Abschnitts (20') einen Azimutal- Winkel von 3607N*(j + k/M) besitzt, wobei j=0,...,N-1 und k=0,...,M-1 . In diesem kann eine Symmetrie unter Drehungen von 3607(N*M) um die Rotationssymmetrieachse vorliegen.
Die Rippen des ersten Abschnitts und die Rippen des zweiten Abschnitts können jeweils länglich sein und sich in der Längsrichtung erstrecken. Insbesondere können die Rippen jeweils im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung ausgerichtet sein. Eine derartige Rippenstruktur kann besonders einfach herzustellen sein. Zum Beispiel kann jede der Rippen einen im Wesentlichen konstanten transversalen Querschnitt haben. Dies bedeutet, dass der transversale Querschnitt der Rippe zumindest auf einem Abschnitt entlang der Längsrichtung im Wesentlichen konstant ist. Dieser Abschnitt wird als "Rippenab- schnitt mit konstantem Querschnitt" bezeichnet. Die Länge des Rippenabschnitts mit konstantem Querschnitt kann zum Beispiel mehr als 50 Prozent, mehr als 80 Prozent oder sogar mehr als 90 Prozent der Länge der Rippe betragen. Unter einer "Länge" ist in dieser Anmeldung stets eine Abmessung in der Längsrichtung zu verstehen, sofern sich aus dem konkreten Zusammenhang nichts anderes ergibt. Ein transversaler Querschnitt ist ein zu der Längsrichtung senkrechter Querschnitt. Der transversale Querschnitt der Rippe kann zum Beispiel in dem Sinne im Wesentlichen konstant sein, dass auf dem Rippenabschnitt mit konstantem Querschnitt alle Änderungen des transversalen Querschnitts klein sind im Vergleich zu den Abmessungen des Querschnitts, zum Beispiel im Vergleich zur Breite und/oder Höhe des Querschnitts. In anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Rip- penabschnitt mit konstantem Querschnitt im Wesentlichen die Gestalt eines endlichen Teilstücks eines geometrischen Körpers hat, der invariant unter infinitesimalen Translationen in der Längsrichtung ist. Eine Menge von geometrischen Punkten ist invariant unter infinitesimalen Translationen, wenn eine infinitesimale Translation jeden der Punkte in einen anderen Punkt derselben Menge überführt. Zum Beispiel kann der Rippenabschnitt mit konstantem Querschnitt oder sogar die gesamte Rippe die Gestalt eines Zylinders ha- ben. Die Querschnittsfläche des Zylinders kann eine beliebige Gestalt haben, zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines Rechtecks.
Es kann ferner vorteilhaft sein, dass sich die Rippen des ersten Abschnitts und die Rippen des zweiten Abschnitts in der Längsrichtung jeweils über den gesamten betreffenden Abschnitt hinweg erstrecken. Ein derartiger Wärmeabführungskörper kann vergleichsweise einfach zu fertigen sein.
Die Innenführung kann eine Brennkammer enthalten oder mit einer Brennkammer kom- munizieren. Ein Teil der bei der Verbrennung erzeugten Wärme kann somit über den Wärmeabführkörper abgeführt und einem Bestimmungsort zugeführt werden, zum Beispiel einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die innere Mantelfläche des Wärmeabführkörpers einen sich an den zweiten Abschnitt anschließenden dritten Abschnitt mit wenigstens zwei zueinander transversal versetzten Rippen aufweist, wobei wenigstens eine Rippe des dritten Abschnitts relativ zu jeder Rippe des zweiten Abschnitts transversal versetzt ist oder wobei wenigstens eine Rippe des zweiten Abschnitts relativ zu jeder Rippe des dritten Abschnitts transversal versetzt ist. Transversal bedeutet, wie oben erläutert, "quer zur Längsrichtung". Hierdurch wird eine weitere Verwirbelungszone geschaffen, nämlich an der Grenze zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt. Es ist ferner möglich, dass die innere Mantelfläche des Wärmeabführkörpers weitere Abschnitte mit den in Bezug auf den ersten und den zweiten Abschnitt beschriebenen Merkmalen aufweist. Der Wärmeübertrager kann insbesondere in einem Verfahren hergestellt werden, welches die folgenden Schritte aufweist: Herstellen eines ersten Segments, welches den ersten Abschnitt aufweist; Herstellen eines zweiten Segments, welches den zweiten Abschnitt aufweist; und Zusammenfügen des ersten Segments und des zweiten Segments. Dieses Verfahren kann besonders unkompliziert auszuführen sein, da die inneren Mantelflächen der beiden einzelnen Segmente einfacher strukturiert sind als die zusammengesetzte innere Mantelfläche. In einem alternativen Verfahren wird der Wärmeabführkörper in einem Stück hergestellt, zum Beispiel mit einem Salzkernverfahren.
Das erste und das zweite Segment können zum Beispiel separat durch Gießen oder Strangpressen hergestellt werden. Alternativ können die Segmente aber auch aus einzelnen Bauteilen zusammengesetzt werden, zum Beispiel durch Verschweißen. Sofern die beiden Segmente baugleich sind, können sie nacheinander unter Verwendung einer gemeinsamen Herstellungsvorrichtung nacheinander hergestellt werden. Wird ein Gussverfahren gewählt, so können nacheinander in derselben Gussform gegossen wer- den. Die Gussform kann somit doppelt genutzt werden.
Das erste Segment und das zweite Segment können zum Beispiel durch Verschweißen zusammengefügt werden. Dabei handelt es sich um eine stoffschlüssige Verbindung. Hierdurch kann zugleich eine Abdichtung des Hohlraums an der Verbindungsstelle zwi- sehen den beiden Segmente gelingen. Alternativ kommt eine Verbindung der beiden Segmente durch mechanische Verbindungselemente, zum Beispiel Nieten oder Schrauben, in Betracht. In diesem Fall kann es erforderlich sein, die Verbindungsstelle zwischen den beiden Segmenten mit Hilfe von Dichtmitteln abzudichten. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbespielen weiter erläutert.
Es zeigen: Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines Beispiels eines Wärmeübertragers.
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein erstes und ein zweites Segment
Hohlkörpers des Wärmeübertragers; Figur 3 eine verkürzte schematische Schrägansicht des ersten Segments;
Figur 4 eine unverkürzte schematische Schrägansicht des ersten Segments;
Figur 5 eine schematische Draufsicht auf den Wärmeabführkörper des Wärmeübertragers;
Figur 6 eine schematische Draufsicht auf den Wärmeabführkörper des Wärmeübertragers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figur 7 eine schematische Draufsicht auf ein Segment gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figur 8 eine schematische Draufsicht auf zwei Segmente gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figur 9 eine schematische Draufsicht auf einen Wärmeabführkörper eines Wärmeübertragers mit den Segmenten aus Figur 7;
Figur 10 eine schematische Ansicht einer inneren Mantelfläche mit drei Abschnitten; Figur 1 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Wärmeübertragers;
Figur 12 eine schematische Draufsicht auf zwei Segmente gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
In dieser Anmeldung ist eine Draufsicht eine Darstellung, bei der die Längsrichtung senkrecht zu der Zeichenebene steht, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt. Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines Wärmeübertragers 10 mit einer Innenführung 32 zur Führung eines Fluids und mit einem Wärmeabführkörper 12, 12' zum Abführen von Wärme des Fluids. Die Innenführung 32 kann ein Hohlleiter, zum Beispiel ein Rohr sein. Sie kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt haben, zum Beispiel einen kreisför- migen oder quadratischen Querschnitt. In dem gezeigten Beispiel dient ein Innenraum 38 der Innenführung 32 als Brennkammer. Die Innenführung 32 kann daher auch als Flammrohr bezeichnet werden. Im Betrieb wird Brennstoff (nicht dargestellt) in einem Verbrennungsbereich 40 verbrannt. Dabei entsteht heißes Abgas. Die Innenführung 32 weist eine Mündung 42 auf, durch die das heiße Abgas die Innenführung 32 verlässt.
Der Wärmeabführkörper 12, 12' weist einen sich in einer Längsrichtung 36 erstreckenden Hohlraum 14, 14' auf. Der Wärmabführkörper 12, 12' und/oder die Innenführung 32 können eine Rotationssymmetrieachse 16 aufweisen. In diesem Fall ist die Längsrichtung 36 parallel zu der Rotationssymmetrieachse 16. Innerhalb des Hohlraums 14, 14' erstreckt sich zumindest ein als Endstück 34 bezeichneter Endabschnitt der Innenführung 32. Das Endstück 34 weist die Mündung 42 auf. Die Mündung 42 ist einer Bodenfläche 44 des Hohlraums 14, 14' zugewandt. Im Betrieb strömt Fluid, in dem Beispiel heißes Abgas, aus der Innenführung 32 über die Mündung 42 in einen Bodenbereich 46 des Hohlraums 14, 14 (die Strömung ist in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet). Zwischen einer äußeren Mantelfläche 48 der Innenführung 32 und einer inneren Mantelfläche 20, 20' des Wärmeabführkörpers 12, 12' ist ein Strömungsraum zur Führung des Fluids weg von dem Bodenbereich 46 ausgebildet. Der Strömungsraum erstreckt sich in der Längsrichtung 36. Die innere Mantelfläche 20, 20' des Wärmeabführkörpers 12, 12' weist einen ersten Abschnitt 20 und einen sich an den ersten Abschnitt 20 anschließenden zweiten Abschnitt 20' auf. In einer nicht dargestellten Variante der gezeigten Ausführungsform weist der Wärmeabführkörper 12, 12' einen seitlichen Auslass zum Auslassen des Fluids auf.
Der erste Abschnitt 20 weist wenigstens zwei Rippen 22 auf (siehe Figur 2 bis 9), die rela- tiv zueinander transversal versetzt sind. Transversal bedeutet senkrecht zu der Längsrichtung 36. Der zweite Abschnitt 20' weist wenigstens zwei Rippen 22' auf, die relativ zueinander transversal versetzt sind. Außerdem ist jede Rippe 22' des zweiten Abschnitts 20' relativ zu jeder Rippe 22 des ersten Abschnitts transversal versetzt. In dem Beispiel (siehe Figur 1 ) weist der Wärmeabführkörper 12, 12' ein erstes Segment 12 und ein sich daran anschließendes zweites Segment 12' auf. Das erste Segment 12 kann topfartig sein. Das zweite Segment 12' kann ringartig sein. In dem Beispiel weist das topfartige erste Segment einen Bodenabschnitt auf, dessen Innenoberfläche die Bodenfläche 44 des Hohlraums bildet. Dem ersten Segment 12 sind der erste Abschnitt 20 der in- neren Mantelfläche 20, 20' des Wärmeabführkörpers sowie ein erster Abschnitt 14 des Hohlraums 14, 14' zugeordnet. Dem zweiten Segment 12' sind der zweite Abschnitt 20' der inneren Mantelfläche 20, 20' des Wärmeabführkörpers sowie ein erster Abschnitt 14 des Hohlraums 14, 14' zugeordnet. Figur 2 zeigt schematisch ein erstes Segment 12 und ein zweites Segment 12' eines Wärmeabführkörpers. In dem gezeigten Beispiel sind die beiden Segmente 12 und 12' baugleich. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb zunächst nur das erste Segment 12 beschrieben. Das Segment 12 besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen oder rohrartigen Segmentkörper 24, der von einem Hohlraum 14 durchzogen ist. In dem gezeigten Beispiel hat der Segmentkörper 24 einen quadratischen Umriss, doch sind andere Formen möglich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) ist der Umriss des Segmentkörpers 24 kreisförmig. Von dem Segmentkörper 24 aus erheben sich wenigstens zwei, in dem gezeigten Beispiel genau vier, Rippen 22 in den Hohlraum 14. Der Segmentkörper 24 und die Rippen 22 können einstückig ausgebildet sein. Der Segmentkörper 24 und die Rippen 22 sind vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt, zum Beispiel aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Das Segment 12 weist eine den Hohlraum 14 definierende innere Mantelfläche 20 auf, die im Wärmeübertrager den erwähnten ersten Abschnitt bildet. Die vier Rippen 22 sind gegeneinander jeweils um 90° bezüglich einer Rotationssymmetrieachse 16 versetzt. Das hier gezeigte Beispiel eines Segments 12 ist damit symmetrisch unter Drehungen von 90° um die Rotationssymmetrieachse 16. Im Betrieb des Wärmeübertragers durchströmt das Fluid, zum Beispiel heißes Abgas, den Hohlraum 14 in einer Hauptströmungsrichtung, die in dem gezeigten Beispiel parallel zu der Rotationssymmetrieachse 16 ist. In dem Beispiel erstreckt sich jede der Rippen 22 entlang der Längsrichtung, hier also parallel zu der Symmetrieachse 16, über die gesamte innere Mantelfläche vom Einlassbereich bis zum Auslassbereich des Segmentkörpers 24. In einem anderen Beispiel (nicht gezeigt) sind eine oder mehrere Rippen kürzer als der betreffende Abschnitt, erstrecken sich also nicht über den gesamten Abschnitt hinweg. In einer Variante dieser Beispiele sind die Rippen 22' in transversaler Richtung (hier in radialer Richtung) kürzer als die Rippen 22. Figur 3 zeigt eine schematische Schrägansicht des Segments 12, bei der aus Gründen der Übersichtlichkeit das Segment 12 verkürzt dargestellt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rippen länglich entlang der Längsrichtung (siehe die unverkürzte Darstellung in Figur 4). Dies ermöglicht es, mit einer vergleichsweise geringen Zahl von Segmenten einen vergleichsweise langen Wärmeübertragungsweg zu schaffen.
Figur 5 zeigt schematisch zwei Segmente 12 und 12' (vergleiche Figur 2) eines Wärmeabführkörpers eines Wärmeübertragers 10. Der Wärmeabführkörper weist zusätzlich ein dem Segment 12 in Figur 1 entsprechendes Bodensegment (nicht dargestellt) auf. Der Wärmeabführkörper 12, 12' dient der Übertragung von Wärme von dem Fluid auf den Wärmeabführkörper 12, 12' oder von dem Wärmeabführkörper 12, 12' auf das Fluid. Der Wärmeabführkörper 12, 12' weist einen aus den Hohlräumen 14 und 14' zusammengesetzten Hohlraum 14, 14' auf, der von dem Fluid entlang einer Längsrichtung durchströmbar ist. Der Strömungsweg verläuft in Figur 4 senkrecht zur Zeichenebene. Die innere Mantelfläche 20 des ersten Segments 12 bildet einen ersten Abschnitt der Innenoberflä- che 20, 20' des Wärmeabführkörpers 12, 12'. Die innere Mantelfläche 20' des zweiten Segments 12' bildet einen sich an den ersten Abschnitt 20 anschließenden zweiten Ab- schnitt der inneren Mantelfläche des Wärmeabführkörpers 12, 12'. Der erste Abschnitt 20 weist somit wenigstens zwei Rippen 22 auf, in dem gezeigten Beispiel genau vier Rippen 22. Ebenso weist der zweite Abschnitt 20' wenigstens zwei Rippen 22' auf, in dem gezeigten Beispiel genau vier Rippen 22'.
Wie in Figur 5 erkennbar ist, sind die Rippen 22 und 22' des ersten Segments 12 beziehungsweise des zweiten Segments 12' gegeneinander transversal, das heißt quer zur Hauptströmungsrichtung, versetzt. In dem gezeigten Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass das zweite Segment 12' relativ zu dem ersten Segment 12 um 45° um die gemein- same Rotationssymmetrieachse 16, 16' gedreht angeordnet ist. Genauer ist jede Rippe 22' des zweiten Abschnitts 20' relativ zu jeder Rippe 22 des ersten Abschnitts transversal versetzt. Der zwischen zwei benachbarten Rippen 22 befindliche Teil des Hohlraums 14 wird in dieser Anmeldung auch als Kanal 26 bezeichnet (siehe Figur 2). Das gleiche gilt analog für das zweite Segment 12'. Die Segmente 12 und 12' weisen somit jeweils we- nigstens zwei Kanäle 26 beziehungsweise 26' auf. In dem gezeigten Beispiel sind es jeweils genau vier Kanäle 26 beziehungsweise 26' pro Segment. Der mit Bezug auf Figur 5 beschriebene Versatz der Rippen 22 relativ zu den Rippen 22' hat zur Folge, dass an der Grenze zwischen den beiden Segmenten 12 und 12' jeder Kanal 26 auf eine Rippe 22' trifft, während jede Rippe 22 auf einen Kanal 26' trifft. Diese Anordnung begünstigt eine Durchmischung innerhalb des Fluids, das den Wärmeabführkörper 12, 12' durchströmt.
Bei der in Figur 5 dargestellten Geometrie kann eine zusätzliche Abdichtung zwischen den Segmenten 12 und 12' in den nicht abgeschlossenen Bereichen 28 und 28' erforderlich sein. Vorteilhafterweise sind die Segmente 12 und 12' so gestaltet, dass zwischen ihnen keine potentiellen Leckstellen auftreten (vergleiche Figur 6).
Figur 7 zeigt schematisch ein Beispiel eines Segments 12 mit genau acht Rippen 22 und achteckigem Umriss. In weiteren Beispielen (nicht dargestellt) weist das Segment 12 mehr als acht Rippen auf.
Figur 8 und Figur 9 zeigen ein Beispiel einer Ausführungsform, bei der der Wärmeabführkörper ein erstes und ein baugleiches zweites Segment mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Abschnitt aufweist, wobei das erste Segment und das zweite Segment relativ zueinander um 180° um eine zur Längsrichtung senkrechte Achse gedreht angeordnet sind. Die beiden Segmente können zum Beispiel als im Wesentlichen rechteckige Rahmen ausgebildet sein, wobei auf zwei einander gegenüberliegenden Innenflächen des Rahmens jeweils mehrere parallele äquidistante Rippen ausgebildet sind. In dem gezeigten Beispiel weist der Segmentkörper 24 beziehungsweise 24' des Segments 12 beziehungsweise 12' einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die in Figur 8 gezeigte Ausrichtung des zweiten Segments 12' geht aus jener des ersten Segments 12 hervor, in dem das Segment 12 um 180° um eine zu der Hauptströmungsrichtung senkrechte Achse 30 gedreht wird.
Figur 10 zeigt schematisch ein Beispiel einer Ausführungsform, bei der die innere Mantelfläche des Wärmeabführkörpers wenigstens drei aufeinanderfolgende Abschnitte aufweist, zum Beispiel einen ersten Abschnitt mit Rippen 22, einen daran anschließenden zweiten Abschnitt mit Rippen 22' und einen an den zweiten Abschnitt anschließenden dritten Abschnitt mit Rippen 22". Die in dieser Anmeldung mit Hinblick auf die Kombination aus erstem und zweitem Abschnitt beschriebenen Gestaltungsmöglichkeiten und Vorteile sind entsprechend auf die Kombination aus zweitem und drittem Abschnitt übertragbar. Der dritte Abschnitt kann zum Beispiel eine Wiederholung des ersten Abschnitts darstellen, das heißt, er kann geometrisch ähnlich zu dem ersten Abschnitt sein. In geometrischer Hinsicht kann der dritte Abschnitt in den ersten Abschnitt durch eine Verschiebung in der Längsrichtung überführbar sein. In dem gezeigten Beispiel ist jede Rippe 22 des ersten Abschnitts und jede Rippe 22" des dritten Abschnitts transversal zu jeder Rippe 22' des zweiten Abschnitts versetzt. Hingegen fluchtet jede Rippe 22 des ersten Abschnitts mit jeder Rippe 22" des zweiten Abschnitts.
Die innere Mantelfläche kann eine alternierende Folge von N Abschnitten aufweisen. Die Anzahl N der Abschnitte kann zum Beispiel 3, 4, 5, 6 oder mehr betragen Die Abschnitte können mit 1 bis N numeriert werden. Die Folge kann in dem Sinn alternierend sein, dass jeder Abschnitt mit der Nummer I+2 (1=1 bis N-2) geometrisch in den Abschnitt mit der Nummer I durch eine geometrische, also eine abstrakte oder hypothetische, Verschiebung parallel zur Längsrichtung überführbar ist. Eine derartige Ausführung führt zu einer hohen Wärmeübertragung. Jeder Abschnitt kann durch ein Modul oder Segment realisiert wer- den, was eine effiziente Herstellung ermöglicht.
Ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens wird durch das Flussdiagramm in Figur 1 1 veranschaulicht. In einem ersten Schritt S1 werden einzelne Segmente hergestellt. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Segmente identisch, um die Kosten des Herstellungsprozes- ses möglichst gering zu halten. In einem anschließenden Schritt S2 werden die Segmente zusammengefügt, so dass sich die einzelnen Hohlräume der Segmente zu einem einzigen durchgehenden Hohlraum vereinigen. Vorzugsweise werden die Segmente unmittelbar aneinander geschweißt, das heißt ohne die Verwendung von Zwischenelementen und insbesondere ohne die Verwendung von Dichtungen. Dabei werden unmittelbar aufeinanderfolgende Segmente zueinander derart ausgerichtet, dass die Rippen des nachfolgen- den Segments relativ zu den Rippen des vorangehenden Segments transversal versetzt sind.
Die Draufsicht in Figur 12 zeigt schematisch ein Beispiel einer Ausführungsform, bei der jede Rippe 22 des ersten Abschnitts 20 einen Kanal 26' des zweiten Abschnitts ganz oder teilweise verdeckt. Das heißt, dass die dem zweiten Abschnitt 20' zugewandte Stirnfläche der Rippe 22 die transversale Querschnittsfläche des Kanals 26' an seinem dem ersten Abschnitt 20 zugewandten Kanalanfang oder Kanalende vollständig verdeckt. In anderen Worten projiziert die Querschnittsfläche des Kanals 26' an seinem dem ersten Abschnitt 20 zugewandten Kanalanfang oder Kanalende in Längsrichtung vollständig auf die dem zweiten Abschnitt 20' zugewandte Stirnfläche der Rippe 22.
In dem Beispiel ist die dem zweiten Abschnitt 20' zugewandte Stirnfläche einer Rippe 22 des ersten Abschnitts 20 größer als die Querschnittsfläche des von jener Rippe 22 verdeckten Kanals 26' an seinem dem ersten Abschnitt 20 zugewandten Kanalanfang oder Kanalende. Die dem zweiten Abschnitt 20' zugewandte Stirnfläche der Rippe 22 überlappt vollständig die Querschnittsfläche des Kanals 26' an seinem dem ersten Abschnitt 20 zugewandten Kanalanfang oder Kanalende, während die Querschnittsfläche des Kanals 26' an seinem dem ersten Abschnitt 20 zugewandten Kanalanfang oder Kanalende die dem zweiten Abschnitt 20' zugewandte Stirnfläche der Rippe 22 nur unvollständig überlappt.
In einer Variante (nicht gezeigt) dieses Beispiels überlappen ein Kanal 26' des zweiten Abschnitts 20' und eine Rippe 22 des ersten Abschnitts 20 einander transversal vollständig. Das heißt, die dem zweiten Abschnitt 20' zugewandte Stirnfläche der Rippe 22 überlappt die Querschnittsfläche des Kanals 26' an seinem dem ersten Abschnitt 20 zuge- wandten Kanalanfang oder Kanalende vollständig, und die Querschnittsfläche des Kanals 26' an seinem dem ersten Abschnitt 20 zugewandten Kanalende oder Kanalanfang überlappt die dem zweiten Abschnitt 20' zugewandte Stirnfläche der Rippe 22 ebenfalls vollständig. Hierdurch lässt sich bei möglichst geringem Materialeinsatz für die Rippen eine gute Wärmeübertragung erreichen. Ferner ist in dem Beispiel gemäß Figur 12 wenigstens eine der Rippen 22 des ersten Abschnitts 20 höher als jede der Rippen 22' des anschließenden zweiten Abschnitts 20'. Unter der Höhe einer Rippe ist ihre transversale Abmessung ausgehend von der Innenführung 32, das heißt, vom Rippenansatz aus, zu verstehen. In anderen Worten erstreckt sich in diesem Beispiel wenigstens eine der Rippen 22 des ersten Abschnitts 20 in transversaler Richtung weiter in den Hohlraum 14 (vergleiche Figur 1 ) hinein als die Rippen 22' des anschließenden zweiten Abschnitts 20'. Im Fall einer konzentrischen Gestaltung des Wärmeabführkörpers, wie zum Beispiel bei der Ausführungsform gemäß Figur 7, kann die Höhe einer Rippe als ihre radiale Abmessung definiert werden. Mit höheren Rippen lässt sich ein größerer Wärmefluss erzielen. Eine größere Höhe der Rippe auf dem ersten Abschnitt 20 kann insbesondere in dem Fall von Vorteil sein, in dem der erste Abschnitt stromaufwärts des zweiten Abschnitts liegt, zum Beispiel wie in Figur 1 , da in diesem Fall das Gas auf dem ersten Abschnitt erwartungsgemäß heißer als auf dem zweiten Abschnitt ist. Beispielsweise kann der erste Abschnitt 20 wenigstens eine Rippe 22 aufweisen, die um mindestens 10 Prozent, mindestens 20 Prozent, mindestens 50 Prozent oder sogar mindestens 100 Prozent höher als jede Rippe 22' des zweiten Abschnitts 20' ist.
Die Rippen 22 beziehungsweise 22' eines jeden Abschnitts sind in dem Beispiel gemäß Figur 12 dicht gepackt. Zum Beispiel sind die Abstände benachbarter Rippen eines Ab- Schnitts gering im Vergleich zu einer quer zur Längsrichtung gemessenen Mächtigkeit o- der Dicke der Rippen. Alternativ oder zusätzlich ist an wenigstens einer oder sogar an jeder Stelle des ersten und/oder des zweiten Abschnitts die an der betreffenden Stelle definierte kombinierte Querschnittsfläche aller Rippen größer als die kombinierte Querschnittsfläche der zwischen den Rippen gebildeten Kanäle. Die kombinierte Querschnitts- fläche der Rippen beziehungsweise Kanäle ist die Summe der Querschnittsflächen der einzelnen Rippen beziehungsweise Kanäle an der betreffenden Stelle, das heißt, in der betreffenden Transversalebene.
Die mit Bezug auf Figur 12 erläuterten Merkmale lassen sich analog auf jede der Ausfüh- rungsformen gemäß den Figuren 1 bis 10 übertragen. Beispielsweise kann es im Fall einer konzentrischen Gestaltung gemäß Figur 7 für die Turbulenzerzeugung vorteilhaft sein, dass die Rippen 22 des ersten Abschnitts 20 einer größere Höhe, das heißt eine größere radiale Abmessung haben als die Rippen 22' des zweiten Abschnitts 20'. In dem Fall ist der Abstand von der Rotationssymmetrieachse 16 bis zu einer Rippe 22 des ersten Ab- Schnitts geringer als der Abstand von der Rotationssymmetrieachse 16' bis zu einer Rippe 22'. ln jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen erstrecken sich die Rippen in transversaler Richtung innerhalb das Hohlraumes 14, 14', aber nicht notwendigerweise bis an eine gegenüberliegende Oberfläche des Hohlraums. In anderen Worten kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine oder sogar jede der Rippen 22 beziehungsweise 22' in transversaler Richtung in den Hohlraum 14, 14' hineinragt, ohne auf ein anderes festes Strukturelement zu treffen. Jede der Rippen weist somit nur eine zusammenhängende Oberfläche, nicht mehrere, auf, die von dem Fluid umströmbar ist. Die Rippen können deshalb auch als Flossen bezeichnet werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der ge- samte Hohlraum 14, 14' ein zusammenhängender Raumbereich ist. Dies erlaubt die Herausbildung von relativ großräumigen Turbulenzmustern und einen guten Wärmetransport innerhalb des strömenden Fluids.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen of- fenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. "Mehrere" bedeutet "wenigstens zwei". Für jedes mit Bezug auf eine einzelne Rippe 22 oder 22' erläuterte Merkmal gilt, dass es vorteilhaft sein kann, dass mehrere oder die Mehrzahl oder alle der Rippen 22 beziehungsweise 22' das betreffende Merkmal aufweisen. Außerdem gilt für jedes mit Be- zug auf einen einzelnen Kanal 26 oder 26' erläuterte Merkmal, dass es vorteilhaft sein kann, dass mehrere oder die Mehrzahl oder alle der Kanäle 26 beziehungsweise 26' das betreffende Merkmal aufweisen.
Bezugszeichenliste
12 erstes Segment
12' zweites Segment
14 Hohlraum
14' Hohlraum
16 Rotationssymmetrieachse
16' Rotationssymmetrieachse
22 Rippe
22' Rippe
20 erster Abschnitt
20' zweiter Abschnitt
24 Segmentkörper
24' Segmentkörper
26 Kanal
26' Kanal
30 Achse
32 Innenführung
34 Endstück
36 Längsrichtung
38 Innenraum
40 Verbrennungsbereich
42 Mündung
44 Bodenfläche
46 Bodenbereich
48 Mantelfläche

Claims

Ansprüche
1 . Wärmeübertrager (10) mit einer Innenführung (32) zur Führung eines Fluids und mit einem Wärmeabführkörper (12, 12') zum Abführen von Wärme des Fluids, wobei der Wärmeabführkörper (12, 12') einen sich in einer Längsrichtung (36) erstreckenden Hohlraum (14, 14') aufweist, innerhalb dessen sich zumindest ein Endstück (34) der Innenführung (32) erstreckt, wobei das Endstück (34) eine Mündung (42) aufweist, die einer Bo- denfläche (44) des Hohlraums (14, 14') zugewandt ist, zum Einleiten des Fluids in einen Bodenbereich (46) des Hohlraums (14, 14'), wobei zwischen einer äußeren Mantelfläche (48) der Innenführung (32) und einer inneren Mantelfläche (20, 20') des Wärmeabführkörpers (12, 12') ein Strömungsraum zur Führung des Fluids weg von dem Bodenbereich (46) ausgebildet ist, wobei sich der Strömungsraum in der Längsrichtung (36) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Mantelfläche (20, 20') des Wärmeabführkörpers (12, 12') aufweist:
einen ersten Abschnitt (20) mit wenigstens zwei Rippen (22), die relativ zueinander transversal versetzt sind; und
einen sich an den ersten Abschnitt (20) anschließenden zweiten Abschnitt (20') mit wenigstens zwei Rippen (22'), die relativ zueinander transversal versetzt sind; wobei wenigstens eine Rippe (22') des zweiten Abschnitts (20') relativ zu jeder Rippe (22) des ersten Abschnitts (20) transversal versetzt ist oder wobei wenigstens eine Rippe (22) des ersten Abschnitts (20) relativ zu jeder Rippe (22') des zweiten Abschnitts (20') transversal versetzt ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabführkörper (12, 12') aufweist:
ein gegossenes oder stranggepresstes erstes Segment (12) mit dem ersten Abschnitt (20) und
- ein gegossenes oder stranggepresstes zweites Segment (12') mit dem zweiten Abschnitt (20').
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment und das zweite Segment baugleich sind.
4. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich jede Rippe (22) des ersten Abschnitts (20) bis zu einem zwischen zwei benachbarten Rippen (22') des zweiten Abschnitts (20') verlaufenden Kanal (26') erstreckt.
5. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen zwei benachbarten Rippen (22) des ersten Abschnitts (20) jeweils ein Kanal verläuft, der sich bis an eine Rippe (22') des zweiten Abschnitts (20') erstreckt.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabführkörper (12, 12') oder zumindest die innere Mantelfläche (20, 20') des Wärmeabführkörpers eine Rotationssymmetrieachse (16) aufweist.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Abschnitt (20, 20') jeweils N Rippen aufweisen und wobei die Position der i-ten Rippe des ersten Abschnitts (20) einen Azimutalwinkel von 3607N*i besitzt, wobei i=0,...,N-1 , und wobei eine Konstante α im Intervall (0; 1/2] existiert, so dass die Position der j-ten Rippe des zweiten Abschnitts (20') einen Azimutalwinkel von 360 N*(j+a) besitzt, wobei j=0,...,N-1 .
8. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rippen (22) des ersten Abschnitts (20) und die Rippen (22') des zweiten Abschnitts (20') jeweils länglich sind und sich in der Längsrichtung erstrecken.
9. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Rippen (22) des ersten Abschnitts (20) und die Rippen (22') des zweiten Abschnitts (20') in der Längsrichtung jeweils über den gesamten betreffenden Abschnitt hinweg erstrecken.
10. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Rohr eine Brennkammer enthält oder mit einer Brennkammer kommuniziert.
1 1 . Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die innere Mantelfläche (20, 20') des Wärmeabführkörpers (12, 12') außerdem aufweist: einen sich an den zweiten Abschnitt (20) anschließenden dritten Abschnitt (20") mit wenigstens zwei transversal zueinander versetzten Rippen (22"), wobei wenigstens eine Rippe (22") des dritten Abschnitts (20") relativ zu jeder Rippe (22') des zweiten Abschnitts (20') transversal versetzt ist oder wobei wenigstens eine Rippe (22') des zweiten Abschnitts (20') relativ zu jeder Rippe (22") des dritten Abschnitts
(20') transversal versetzt ist.
12. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , mit den folgenden Schritten:
- Herstellen eines ersten Segments (12), welches den ersten Abschnitt (20) aufweist;
Herstellen eines zweiten Segments (12'), welches den zweiten Abschnitt (20') aufweist; und
Zusammenfügen des ersten Segments (12) und des zweiten Segments (12').
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Herstellen des ersten und des zweiten Segments (12; 12') beinhaltet:
Gießen des ersten und des zweiten Segments (12; 12').
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Gießen des ersten und zweiten Segments (12; 12') beinhaltet:
Gießen des ersten oder zweiten Segments (12; 12') in einer Gussform, gefolgt von Gießen des zweiten beziehungsweise ersten Segments (12'; 12) in derselben Gussform.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Zusammenfügen des ersten Segments (12) und des zweiten Segments (12') beinhaltet:
Verschweißen des ersten Segments (12) und des zweiten Segments (12').
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