JP5973550B2 - 自動車の熱電発電装置用の熱交換器を有する装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車の床下の領域に配置される、熱電発電装置用の熱交換器を有する装置に関する。

自動車の内燃機関からの排気ガスは、熱エネルギーを有し、例えば、バッテリーまたは別のエネルギー貯蔵装置に充電するため、および／または電気消費物に必要なエネルギーを直接に供給するため、熱エネルギーは、熱電発電装置によって電気エネルギーに変換される。このようにして、大量のエネルギーが、自動車の作動に利用されるようになる。熱電発電装置の使用により、内燃機関のエネルギー効率はさらに上がる。

このような熱電発電装置は、少なくとも複数の、必要であればモジュラー式の、熱電変換素子を有している。熱電材料は、熱エネルギーを電気エネルギーに有効に変換でき（ゼーベック効果）およびその逆（ペルティエ効果）もまた同様である。ゼーベック効果は、熱エネルギーが電気エネルギーへ変換される現象に基づき、熱電エネルギーの生成に用いられる。ペルティエ効果は、ゼーベック効果の逆であり、熱吸収を伴う現象であり、異なる材料を通る電流に関連して起こる。ペルティエ効果は、例えば熱電冷却に、すでに提案されている。

このような熱電変換素子は、望ましくは多数の熱電素子を有し、熱電素子は、いわゆる熱い側と冷たい側との間に位置する。熱電素子は、例えば少なくとも２つの半導体ブロック（ｐ型とｎ型）を含み、半導体ブロックは、上側と下側（熱い側と冷たい側をそれぞれ向く）で、導電ブリッジに交互に接続される。セラミックプレートまたはセラミックコーティングまたはプラスチックおよび／または同様の物質は、金属ブリッジを絶縁する役目をし、従って望ましくは金属ブリッジの間に配置される。温度勾配が半導体ブロックの両側に提供された場合、電位が形成される。この場合、熱は１つの接点で吸収され（熱い側）、電子は、一方の側から、次のブロックの高エネルギー伝導帯に移る。他方の側では、低い方のエネルギーレベルに戻るために（冷たい側）、電子は、今度はエネルギーを放出することができる。このように、相応の温度勾配が与えられ、電流の流れが生じる。

熱電発電装置の設計およびその自動車への使用においては、さまざまな課題が克服されなければならない。とりわけ、存在する温度差が効率的に電気エネルギーに変換できるように、熱電変換素子内に良好な熱移動が提供されなければならない。さらに、さまざまな負荷状況で作動する、内燃機関の排気システムにおいては、熱電素子に適した温度レベルが提供されなければならない。これらの観点に関し、この種の装置または排気システム内の熱電素子の配置も考慮されなければならない。熱電発電装置に含まれる熱電素子の配置においては、一方では、電気エネルギーの生成のため、排気ガスからできる限り多くの熱が利用されるべきであるから、相応の強連結の配置が有利であり、他方では、限られたスペースの状況や許容最大温度が考慮に入れられなければならない、という問題が提起される。

従って、本発明の目的は、従来技術に関し浮かび上がる問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、内燃機関の全ての作動ポイントで使用可能であり、排気ガスからの熱エネルギーの変換に高い効率性を示す、装置を特定することが求められる。さらに、装置は、できる限りスペースを取らない構成であり、特に自動車の床下の領域における配置に適しているべきである。さらに、統合に面倒な手段を必要とせずに、装置の自動車への後からの取り付けも可能であるべきである。

この目的は、請求項１の特徴による装置によって達成される。本発明による装置の好適な実施形態は、従属請求項で特定される。請求項で個々に特定された特徴は、技術的に適切な方法で互いに組み合わされることができ、本発明のさらなる実施形態が構成されることに、留意されるべきである。詳細な説明は、特に図面と関連し、さらに本発明を説明し、本発明の補足的な実施形態を記述する。

装置は、特に自動車の内燃機関の排気システムに配置される、熱交換器を有し、前記熱交換器は、流体用のインレットおよびアウトレットを有するハウジングを少なくとも備える。さらに、熱交換器は内管を有し、内管は、軸方向を有し、第１端面と、対向する第２端面と、開口を有する第１周囲面とを有する。複数の熱交換チューブがさらに設けられ、熱交換チューブは、軸方向に平行に、第１周囲面の外側に、配置される。ハウジングは、熱交換チューブと内管とを取り囲む。インレットは、第１端面に流体的に接続される。さらに、ガイドエレメントが熱交換チューブの間に配置され、第１端面を通って内管に入った流体が、径方向に内管から出て熱交換チューブを越えて流れ、径方向に熱交換チューブとハウジングとの間に位置する流出ダクトに移るようになっている。流出ダクトで初めて、流体は軸方向の流れ方向に向きを変えられる。流出ダクトは、アウトレットに流体的に接続される。

ハウジングは、望ましくは、丸形、特に円形または楕円形／長円形に形成されるが、このような形状に限定されない。流体、特に内燃機関の排気ガスは、インレットを経てハウジングに、第１端面を経て軸方向に内管に、流入する。内管は、その周囲面に開口が設けられている。内管の第２端面は、特に閉じることが可能なように設計され、流体が、内管の第１周囲面の開口を通って径方向に、内管から出て行くようになっている。内管の第１周囲面の外側にはガイドエレメントが設けられ、ガイドエレメントは、特に軸方向に径方向に延び、流体が、特に専ら径方向にガイドエレメントおよびここに配置された熱交換チューブを越えて流れ、それに伴い径方向に流出ダクトに流れ込むようになっている。流出ダクトは、特に全周囲で内管およびガイドエレメントおよび熱交換チューブを取り囲む。ここで流体は軸方向に再び向きを変えられ、特にハウジングに沿ってアウトレットの方向に流れる。

熱交換チューブを特に専ら径方向に越えて流れることにより、一様な熱移動が生じ、熱交換チューブの外面上に大きな温度差が特に存在しないようになっている。特に、周囲方向、および熱交換チューブの軸方向の延びにおける、流体が流れる熱交換チューブの外面の最大の温度差は、最大で３０ケルビン、特に最大で１５ケルビン、望ましくは１０ケルビン、とりわけ望ましくは５ケルビンである。これによって、温度勾配および熱膨張に関する熱交換チューブへの一様な負荷が実現する。

特に、内管の第１周囲面上の開口は、内管の第１周囲面にわたって一様な流量分布になるように、配置されている。一様でない、内管の第１周囲面を通る流れは、内管の一様でない圧力分布に起因する。この一様でない圧力分布は、流体が、閉じられた、または部分的に閉じられた、内管の第２端面に衝突し、比較的高い背圧がこの位置に生じ、開いている第１端面の領域よりもここで、第１周囲面を通る流体のスループットが大きくなることに、主に起因する。一様な流量分布は、第１周囲面の開口の数および／または寸法および／または形状を適合させることによって得られる。これは、単位面積当たり、同じ量の流体が内管の第１周囲面を通って流れることも意味する。特に、比較的大きな開口および／または大きな数の開口が、内管の第１端面の領域にある第１周囲面に設けられる。開口は、（部分的に）また（それぞれの場合に１つまたは複数）ガイド構造（フード、ベーン、ブレード等）が配置されることができ、ガイド構造により、流体が開口を通った後、流体が熱交換チューブに向かって、導かれ、集められ、集中するなどする。

内管の第１周囲面は、特に少なくとも７５％が開いており、つまり、第１周囲面の７５パーセントが、第１周囲面の開口により形成される。この場合、開口は、特に流れを分配する役目をし、第１周囲面の外側に配置された熱交換チューブが、相応に流れに当たるようになっている。これにより、流体から熱交換チューブへの改良された熱移動が可能になり、過度の圧力損失が防がれる。開口は、特に最大６ｍｍ［ミリメートル］の最大直径を有する。

熱交換器の有利な構成では、アウトレットは、流体的に第２端面に接続され、第２端面は、少なくとも部分的に閉じられることができ、流体の流れが、一方では第１周囲面を介し、他方では第２端面を介し、制御可能になっている。特に、第２端面の領域に、狙いを定めて作動および／または動くことが可能なフラップが配置され、フラップが、完全に、または部分的に閉じられたとき、流体が、第１周囲面を介し、流れない、または部分的に流れるようになっている。フラップが完全に開いた位置にあるとき、流体は、ハウジングのアウトレットの方向に、第２端面を介し実質的に完全に流れることができる。これは特に、排ガス温度が非常に高く、熱交換チューブが十分に冷却され得ないか、冷却装置に追加の負荷がかけられるべきでないときに、必要となる。さらに、下流に配置された排気ガス処理ユニットで熱の導入が制御されることも従って可能であり、熱交換チューブを通る流れによる、制御可能な熱損失のみが生じる。熱エネルギーは、従って流体に貯蔵されたままであり、熱交換器の下流で、排気ラインに追加的に配置された排気ガス処理ユニットに最初に放出される。さらに、流体のスループットが大きくなる場合は、第２端面が少なくとも部分的に開かれることができ、流体が熱交換器を通るときに生じる圧力損失が、小さく保たれるようになっている。

第２端面の閉じることが可能な第２端面の制御および／または調節は、望ましくは、内燃機関の作動ポイントを考慮に入れて、および／または流体の特性値（温度、圧力、流体成分）を考慮に入れて、行われる。このため、コントローラが設けられることができ、コントローラは、第２端面および／または内管の第１周囲面を通る流体の流れの一部を制御する。

装置の有利な構成では、熱電素子が、熱交換チューブに設けられる。熱電素子は、ここでは特に環状であり、熱交換チューブの軸方向に互いに積み重ねられる。熱い流体（排気ガス）が熱交換チューブの外側上を流れ、冷却流体（水）が内側ダクトを通って熱交換チューブを流れる。熱交換チューブの内側ダクトと外面との間にこうして生じた温度勾配により、電気的に接続された熱電素子が電流を発生させ、電流は、適した電気端子を介して熱交換器のハウジングで取られることができる。熱交換器を有する装置は、これで熱電発電装置として作動され、熱電発電装置は、特に自動車の電気消費物電気または電気貯蔵装置に接続され、熱電発電装置によって生じる電流が、自動車にとって利用可能になっている。

熱交換チューブを越える、実用的な（ほぼ）専ら径方向の流れのため、同種の熱電材料が、熱交換チューブ内の熱電素子用に用いられることが可能である。流体が流れる、熱交換チューブの外面、および／または内管の第１周囲面に沿って、（大きな）温度勾配がないからである。従って、熱電発電装置の簡単な構成が保証され、電気エネルギーの生成が高い効率で可能になる。

熱電素子用の熱電材料として、特に以下が考慮される。
ｎ型熱電材料：シリサイド（例えばＭｇＳｉ‐ＭｇＳｎ）
ｐ型熱電材料：ジントル相（例えばＺｎ_４Ｓｂ_４）

前記材料は、特に有利であり、熱い流体（排気ガス）の熱エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換可能であることが判明している。シリサイドは、特にシリコンの２元系の金属化合物であり、半導体として利用可能である。ジントル相は、特に、強い電気的陽性のアルカリ金属またはアルカリ土類金属と、周期表の１３〜１６族の、中程度の電気的陰性の元素との、金属間化合物である。いくつかのジントル相は反磁性半導体であり、その伝導率は、金属導体と対照的に、温度の上昇とともに上がっていく。

装置のさらなる有利な構成では、外管が設けられ、外管は、内管および熱交換チューブの周囲に延び、開口のある第２周囲面を有し、ガイドエレメントは、内管および／または外管に接続される。接続は、ここでは特に凝集の形態である。内管についての記載は、外管に相応に適用される。

特に、外管は、全周囲にわたって内管の回りに延び、熱交換チューブが、内管と外管との間の空間に配置されるようになっている。外管の配置により、熱交換チューブ間のガイドエレメントがとりわけ有利に配置されることができる。一方では内管に、他方では外管への、ガイドエレメントの固定が可能になるからである。特に、内管と外管とは、ガイドエレメントと熱交換チューブとともに、または熱交換チューブなしで、ユニットとして予め組み立てられて提供され、内管（および外管）の開口が、ガイドエレメントに関し、および熱交換チューブに関し、合うように調整されて位置するようになっている。正しい位置は、ここでは、ガイドエレメントが、開口を部分的に閉じることもなく、第１周囲面を通る、および／または第２周囲面を通って出る流体の圧力損失が、小さく保たれるようになっている、流体的に適合する配置を含む。

さらに発展させると、少なくとも１つのガイドエレメントは、少なくとも１つの金属箔から製造されることも、提案される。金属箔は、特に少なくとも１２μｍ、最大で１２０μｍ［マイクロメートル］の厚さであり、望ましくはクロムおよびニッケルを含むスチールから成る。ガイドエレメントは、特に、内管および／または外管に、はんだ接続または溶接接続により凝集接続され、永続的で耐熱性のある、ガイドエレメントの配置が可能になっている。望ましくは、それぞれ２つのガイドエレメントが、周囲方向で見たときに互いに隣接して配置されるそれぞれ２つの熱交換チューブの間に設けられる。

特に、少なくとも１つのガイドエレメントが、熱交換チューブに２〜７ｍｍ［ミリメートル］の間隔で配置される。この間隔により、熱交換チューブの利用可能な外面にわたって流体の流れの分配が有利になる。特に、熱交換チューブは、２５〜３５ｍｍ［ミリメートル］、特に最大３０ｍｍまでの最大直径を有する。特に、熱交換チューブは、互いに周囲方向に４〜１４ｍｍ［ミリメートル］の間隔が置かれている。

さらなる構成では、少なくとも１つのガイドエレメントおよび／または少なくとも１つの熱交換チューブには、流体の流れに乱流を生じさせる構造が備えられている。この構造は、大きくされた粗さにより、および／または微細構造により、および／またはガイド構造の形状により、形成される。この構造は、熱交換チューブの回りの流体の流れの内側に乱流を生じさせ、流体の流れから熱交換チューブへの熱移動が改良されるようになっている。これにより、流体の流れから熱エネルギーの増加分を取り出すことができ、熱交換チューブを介し放出される。これにより、熱交換器または熱電発電装置のより効率的な使用が可能になる。特に有利な構成では、（追加的にまたは代替的に）流体の流れに乱流を生じさせる構造を外面に有する少なくとも１つの熱交換チューブが設けられ、ここでは同等な構造がガイドエレメントにも使用される。特に、前記構造は、熱交換チューブに、およびガイドエレメントに配置され、その位置および流体的に及ぼす影響に関して調整される。

特に、微細構造は、ピンプルおよび／またはくぼみの形態で設計される。ピンプルは、ガイドエレメントおよび／または熱交換チューブの表面から、外側に向かって延び、くぼみは、内側に向かって延びる。

特に、構造は、大きくされた粗さによって形成される。流体の流れの方に向く、熱交換チューブの表面の粗さは、ここでは、熱電素子または冷却流体の方に向く、熱交換チューブの表面の粗さに対し、大きくされる。特に、流体の流れの方に向く、熱交換チューブの側の粗さは、少なくとも５倍（５のファクター）、望ましくは少なくとも１０倍（１０のファクター）、とりわけ望ましくは２０倍（２０のファクター）だけ大きくされる。粗さは、平均粗さＲａまたは平均粗さ深さＲｚとして決定される。粗さの特性値を決定する方法は、当業者には国際基準により、例えばＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７により、公知である。

さらに有利な構成では、内管と流出ダクトとの間の流体の流れの圧力損失は、流出ダクトの第１端とハウジングのアウトレットとの間の圧力損失より、少なくとも５倍（５のファクター）、特に１０倍（１０のファクター）だけ大きくなっている。この場合、内管と流出ダクトとの間の流体の流れの圧力損失は、内管において、内管の中心軸に沿った任意の望ましいポイントで、および流出ダクトにおいて、内管の測定ポイントから径方向に進んだ位置にある流出ダクトのポイントで、測定される。流出ダクトの第１端と、ハウジングのアウトレットとの間の圧力損失用の測定ポイントは、インレットの領域または第１端面の、流出ダクトの閉じた側に近いポイントで、およびアウトレットのハウジングの中心軸の領域で、測定される。この割合は、流出ダクト、およびさらにハウジングのアウトレットまでの流れ領域内の流体が、大きな影響を及ぼす流れの障害にさらされず、従って小さな圧力損失のみになることを表そうとするものである。実際の圧力損失は、熱交換チューブを越える流れにおいて生じ、このため流体と熱交換チューブとの間の熱移動のための基準でもある。これは、流体が流れ方向に配置された熱交換チューブにより妨げられることによって、圧力損失が生じることに、第一に起因する。流体は、熱交換チューブにぶつかり、その回りで導かれる。内管の、必要に応じて外管の、開口によって、熱交換チューブの利用できる外面上で流体の流れが、可能な限り一様な分配になるようにすることができる。この手段は、一方では、比較的大きい圧力損失がこの領域に生じること、他方では、そのため流体と熱交換チューブとの間の熱移動が最適化されることをもたらす。この割合は、特に、流体として排気ガスが用いられ、自動車の場合に通常の排気ガスの平均体積流量率が生じ、排気ガスの温度が２００〜６００°の範囲にあり、排気ガス全体が内管の開口を通って導かれる場合に、特に当てはまる。

装置の有利な構成では、少なくとも１つのガイドエレメントが、少なくとも１２０°の角度領域にわたって、熱交換チューブの回りに延びる。これは、望ましくは、全てのガイドエレメントが、排気ガスおよび／または熱交換チューブの外面の回りの流体を、導くことを表している。内管から流出する流体の径方向の流れにより、内管の中心軸からの半径が増加するとともに、流出ダクトの方向に流れる流体が通る、利用できる断面積が増加する。この増加した断面積は、今度は、ガイドエレメントにより、および同時に内管の第１周囲面に配置された熱交換チューブにより、制限される。この場合、流体は熱交換チューブの外面に沿って導かれ、流体と熱交換チューブとの間の、最も効果的な熱移動が実現されるようになっている。このため、熱交換チューブの、できる限り大きい角度領域が、ガイドエレメントによりカバーされ、この領域で流体が導かれるようになっている。特に、熱交換チューブのこのカバーは、熱交換チューブの２つの側の角度領域で実現され、熱交換チューブの、合わせて少なくとも２４０°が、ガイドエレメントによりカバーされるようになっている。特に、ガイドエレメントの領域に関連するこの領域は、熱交換チューブの外面から、２〜７ｍｍ、特に２〜１２ｍｍ、の間隔が置かれている。

少なくとも１つのガイドエレメントが、隣接する熱交換チューブに対し、一定の間隔で配置されている場合は、特に有利である。この場合、熱交換チューブの外面とガイドエレメントとの間の間隔は、熱交換チューブまたはガイドエレメントの軸方向の延びに関し、特に一定である。特に、前記一定の間隔は、追加的にガイドエレメントおよび熱交換チューブの径方向にも関連する。これは、熱交換チューブの外面のできる限り大きな領域で、流体が熱交換チューブの表面近くで導かれ、流体から熱交換チューブへの特に良好な熱移動が実現できるようになっていることを表す。全てのガイドエレメントと全ての熱交換チューブとに、一様な間隔が維持されていると、非常に望ましい。

特に、少なくとも１つの熱交換チューブが少なくとも部分的に非円形状である。さらに、少なくとも１つの熱交換チューブが少なくとも部分的に（軸方向断面で）径方向に先細になっていることが望ましい。熱交換チューブは特に少なくとも部分的に楕円形であり、大きい方の直径が径方向に延びる。特に、少なくとも１つの熱交換チューブが少なくとも部分的に翼形である。排気ガスと接触する（ほぼ）全ての断面が、全ての熱交換チューブで対応する形状適応を有していることが、とりわけ望ましい。

特に、少なくとも１つの熱交換チューブが少なくとも部分的に楕円形プロファイルおよび／または翼形プロファイルを有している。翼形の熱交換チューブの場合に、丸い、厚い方の第１側が内管を向き、薄くなっていった第２端が径方向に流出ダクトに向かって並べられると望ましい。このような熱交換チューブの非円形の形状により、改良された周囲の流れによって圧力損失が小さくなり、流体から熱交換チューブへの径方向の熱移動が均等化される。熱い方の流体が、径方向外側に流れて最初に熱交換チューブの厚い方の側に衝突し、一方では非常に良好な熱移動、他方では熱交換チューブの内側の良好な放熱が、実現されるようになっている。径方向外側に向かう流れ方向において、流体は熱交換チューブの周囲を流れ、熱移動が小さくなるようになっている。この径方向外側に位置する側の熱交換チューブの断面が縮小していることにより（楕円形または翼形の場合）、より少ない熱が（冷却流体による）、熱交換チューブのこの側で放出される。放熱と熱移動の比率は、従って熱交換チューブの周囲にわたって一様になる。

熱交換チューブが楕円形状の場合、熱交換チューブの断面で見られるチューブ壁のプロファイルは、ほぼ楕円に相当する。この場合、チューブ壁の対向するプロファイルは、（ほぼ）同じ曲率半径で形成され、その一方プロファイルは、９０°オフセットで異なる曲率半径で形成される。熱交換チューブが翼形の場合、断面で見たとき、チューブ壁は同様に細長い空間を囲み、最小曲率半径の異なる部分が形成され、特に、２つの端の部分の１つは曲がっており、もう１つは縁のように形成される。熱交換チューブが翼形の形状の場合、（両側での流れの分離なしに作用する）翼が形成されることも可能である。

特に、構造が、ガイドエレメント上および／または熱交換チューブ上に、ガイドエレメントと熱交換チューブとの間に流体の乱流が生成されるように、配置される。それでもって、熱交換チューブが楕円形または翼形の形状の場合も、この領域で熱移動が明らかに改善される。

熱交換器の場合、内管の内側に、流体が径方向に流れ通ることができるハニカム体が配置されることが特に可能である。前記ハニカム体は、特に触媒でコーティングされる。このハニカム体は、望ましくは内管の全周囲面にわたって延びる。ハニカム体は、中心に配置された管路を有することができ、管路は、第１端面に向かって、および第２端面に向かって、開くように形成される。流体は、従って第１端面を経て管路に流れ、第２端面の下流に配置されたフラップの位置に応じて、少なくとも径方向に通じるハニカム体の流れのパスによって内管の方向に向きを変えられる。内管は、ハニカム体を望ましくは直接取り囲み、これに特に少なくとも非ポジティブロッキングまたは凝集接続される。

凝集結合は、この文脈では、結合パートナーが原子および／または分子間力によって結び付けられる結合の全てのことである。それらは、同時に、離すことのできない結合であり、接続手段の破壊によってのみ離すことができる（例えば溶接またはろう付けにより生じる結合）。非ポジティブロッキング結合は、垂直抗力を相互に接続される表面に対しかける。静止摩擦により生じる反力が超えられない限り、前記表面の相互の移動が防がれる。

本発明は、自動車に特に用いられ、前記自動車は、内燃機関、排気ガス処理装置、および本発明に従って排気ラインに配置された装置を有し、流体は、内燃機関の排気ガスである。特に、複数の熱交換器が、単一のストランドまたは複数のストランドの排気ラインに設けられることが当然に可能である。

本発明および技術分野は、以下で図面に基づいてより詳しく説明される。図面は特に好ましい実施形態を示すが、本発明は、これに限定されない。図面は概略的に示している。

熱交換器を有する装置の縦断面を示す。 装置の別の構造変形の縦断面を示す。 図２の装置の横断面を示す。 図３の詳細の拡大図を示す。 自動車の前述したような装置の模範的な配置を示す。

図１は、縦断面における熱交換器を示す。流体５（または排気ガス）は、インレット３を通って、インレット３と流体的に接続された第１端面８を通って、軸方向７に熱交換器１の内管６に流れ込む。ここで、流体の流れは、少なくとも部分的に向きを変えられ、流体５がさらに径方向１４に内管６の第１周囲面１０の方向に流れるようになっている。流体５は、開口１１を通って第１周囲面１０を通過し、第１周囲面１０の外側に配置された熱交換チューブ１２にぶつかる。熱交換チューブ１２の間には、ガイドエレメント１３が配置され、ガイドエレメント１３は、流体５を熱交換チューブ１２の回りに導く。径方向１４に流れる流体５は、熱交換チューブ１２を囲む流出ダクト１５に入り、流出ダクト１５の外側は、ハウジング２によって画定されている。ここで、流体５は、再び軸方向７に向きを変えられ、流出ダクト１５を通ってアウトレット４の方向に流れる。この図１では、流出ダクト１５は、軸方向７に円柱形に設計されている。例えば、ハウジング２を、流出ダクト１５に沿ってアウトレット４の方向に大きくすることによって、円錐形の設計も相応に可能である。

流体５は、内管６を、第２端９を経て軸方向７に内管の中心軸４０に沿って出て行くこともでき、ここにフラップ１７が配置され、フラップ１７は、内管６の第２端９を少なくとも部分的に閉じることができる。流体５は、アウトレット４の方向に第２端９の下流へ流れる。

流体５は、径方向１４に開口１１を経て内管６を出て行くことが分かる。流体５は、熱交換チューブ１２を超えて流れるときもこの方向を維持し、熱交換チューブ１２の回りで向きを変えることによって周囲方向の方向成分も存在する。流出ダクト１５の内側で初めて、流体５が再び軸方向７へ向きを変える。流出ダクト１５における流体の流れの流れ方向１６は、図１の下部に示されている。流出ダクト１５は、インレット３の領域の第１端２４、または第１端面８の領域からから、アウトレット４まで延びる。内管６は、第１端面８から第２端面９まで延び、第１周囲面１０全体に規則正しく配置された開口１１を備え、例えばフラップ１７が閉じられた場合に第２端面９の領域で強められる背圧が考慮され、第１周囲面１０を介し流体５の一様な流出が実現するようになっている。

第１端面８またはインレット３の領域には、ハウジング２に閉鎖プレート２９が設けられている。閉鎖プレート２９は、一方では、アウトレット４の方向にのみ開いている流出ダクト１５を画定し、他方では、熱交換チューブ１２を受容し、熱交換チューブ１２を流れ通る冷却流体が、供給および排出されるようになっている。熱交換チューブ１２は、閉鎖プレート２９から、第１周囲面１０に沿って、第２端面９まで延びる。そこで方向転換があり、それによりさらなる熱交換チューブ１２で冷却流体が閉鎖プレート２９に流れ戻される。同時に閉鎖プレート２９に電気端子（図示せず）を設けることができ、熱交換チューブ１２内の冷たい冷却流体と熱い流体５との間の温度差の結果として、電流が生じるようになっており、熱交換チューブ内の熱電素子の配置により自動車に送られることが可能である。

熱交換器１内の流体の流れの圧力損失は、例えば、指し示された測定ポイント４１で測定される。

図２は、同様に縦断面における、熱交換器１の第２の構造変形を示す。熱交換器１の同じ部品は、図１で付されているのと同じ符号で示されている。熱交換器１のさらなる構造変形は、ガイドエレメント１３と熱交換チューブ１２とを囲む外管１９の配置で異なっている。外管１９の配置により、ここでは金属箔２１により形成されるガイドエレメント１３は、内管６にも外管１９にも接続され、そのため機械的に安定化される。さらに、閉鎖プレート２９に、熱交換チューブ１２の冷却流体３７用の供給ライン３０と戻りライン３１とが示されている。

図３は、図２による熱交換器１のさらなる構造変形を、図２に示される断面軸（ＩＩＩ）に沿った断面で示す。ハウジング２は、流出ダクト１５と、外管１９と、その間にガイドエレメント１３を有する熱交換チューブ１２と、内管６とを取り囲む。内管６および外管１９は、それぞれ開口１１を有し、開口１１を通って流体が内管６から熱交換チューブ１２を経て流出ダクト１５に流れることができる。図３において、図４でさらに詳しく説明される部分（ＩＶ）が示されている。

図３には、少なくともいくつかの熱交換チューブ１２が、楕円形または翼形に形成されているのが見られる。翼形プロファイル４４の厚い円形の第１側４３は、この場合は内管６に向いている。薄い第２側４７は、流出ダクト１５に向かって径方向外側に配置されている。楕円形プロファイル４５の場合、小さい方の直径４６が、周囲方向３９に平行に配置されている。前記プロファイル４４、４５により、流体５は熱交換チューブ１２の回りで向きを変えられ、特に、円形の熱交換チューブ１２の場合よりも、減少した圧力損失が生じる。ガイドエレメント１３上の、および／または熱交換チューブ１２上の、構造２３の配置（図４参照）により、熱交換チューブ１２とガイドエレメント１３との間の領域における熱移動が改良される。構造２３は、円形の熱交換チューブ１２の場合よりも、この領域に、より高い圧力損失でより強い乱流を作り出すことができる。プロファイル４４、４５（構造２３のない）に流れてその周囲を流れる場合の圧力損失は減少するからである。

図４は、図３の詳細を示し、熱交換チューブ１２の回りの流れがさらに詳しく説明されている。流体５は、内管６から、開口１１を通って、内管６と外管１９との間の空間に流れる。開口１１は、ガイドエレメント１３の間に配置されている熱交換チューブ１２の所に、設けられている。ガイドエレメント１３の間にのみ配置されている、内管６の領域４２は、ここでは閉じられ、この箇所で、流体５がこの領域４２に流入できないようになっている。ガイドエレメント１３は、ここでは互いに接し、それでもって支えられている。これは、ガイドエレメント１３の位置の追加の機械的固定になる。流体５は、ガイドエレメント１３により、流れ方向１６に熱交換チューブ１２の回りに導かれる。その際、流体は、専ら径方向１４および周囲方向３９に流れる。ガイドエレメント１３と、熱交換チューブ１２の外面３８との間に提供される管路には、構造２３が設けられ、構造２３は、流体５の層状境界流を壊し、それにより熱交換チューブ１２への改良された熱移動を可能にする。ガイドエレメント１３は、熱交換チューブ１２の外面３８に対し一定の間隔２２で配置され、角度領域２５にわたって流体５が熱交換チューブ１２の回りに導かれるようになっている。それにより、改良された熱移動が可能になる。

図４の下方部分では、１つの熱交換チューブ１２が横断面で詳しく表され、熱交換チューブ１２の内側の環状の熱電素子１８が示されている。熱交換チューブ１２は、冷却流体３７が流れる内側ダクト３６も有している。流体５は、ガイドエレメント１３と熱交換チューブ１２との間の管路を出て、外管１９の開口１１を通って流出ダクト１５に行く。流出ダクト１５は、外側においてハウジング２により画定される。

図５は、自動車２６内の熱交換器１の配置を示す。自動車２６は、排気ライン２８を有する内燃機関２７、およびさらに排気ガス処理装置３４を有している。熱交換器１は、ここでは熱電発電装置３５として設計され、熱電発電装置に配置された熱交換チューブは、供給ライン３０および戻りライン３１を介し、冷却装置３２に接続されている。さらに制御ユニット３３が設けられ、制御ユニット３３は、とりわけ熱交換器１内のフラップの作動に用いられ、内管の第１周囲面を経て、および／または第２端面を経て、流れる排気ガスの量が制御されるようになっている。それに伴い、熱交換チューブおよび熱電素子を通り過ぎた流体用のバイパスが制御され、内燃機関の冷却装置３２に、必要に応じて、熱電発電装置３５の排気ガスによる追加の負荷がかからないようになっている。

本発明の別の改良または構造変形も可能である。特に、いくつかの閉鎖プレート２９をハウジング２内に配置し、熱交換チューブ１２が一端のみならず別の端においても受容されるようにすることが可能である。従って、別々の閉鎖プレート２９に、供給ライン３０および戻りライン３１をそれぞれ配置し、熱交換チューブ１２を通る流れが、一つの軸方向だけになるようにすることもできる。ここで示された図では、熱交換チューブを流れる冷却流体３７は、軸方向７にインレット３の近くの閉鎖プレート２９の供給ライン３０から第２端面９に流れ出て、閉鎖プレート２９の戻りライン３１に戻る。

１ 熱交換器
２ ハウジング
３ インレット
４ アウトレット
５ 流体
６ 内管
７ 軸方向
８ 第１端面
９ 第２端面
１０ 第１周囲面
１１ 開口
１２ 熱交換チューブ
１３ ガイドエレメント
１４ 径方向
１５ 流出ダクト
１６ 流れ方向
１７ フラップ
１８ 熱電素子
１９ 外管
２０ 第２周囲面
２１ 金属箔
２２ 間隔
２３ 構造
２４ 第１端
２５ 角度領域
２６ 自動車
２７ 内燃機関
２８ 排気ライン
２９ 閉鎖プレート
３０ 供給ライン
３１ 戻りライン
３２ 冷却装置
３３ 制御ユニット
３４ 排気ガス処理装置
３５ 熱電発電装置
３６ 内側ダクト
３７ 冷却流体
３８ 外面
３９ 周囲方向
４０ 中心軸
４１ 測定ポイント
４２ 領域
４３ 第１側
４４ 翼形プロファイル
４５ 楕円形プロファイル
４６ 直径
４７ 第２側

Claims (11)

1. 熱交換器（１）を有する装置であって、熱交換器（１）は、少なくとも、流体（５）用のインレット（３）とアウトレット（４）とを有するハウジング（２）と、内管（６）と、さらに複数の熱交換チューブ（１２）と、を備え、
   内管（６）は、軸方向（７）を有し、第１端面（８）と、対向する第２端面（９）と、開口（１１）を有する第１周囲面（１０）と、を有し、
   熱交換チューブ（１２）は、軸方向（７）に平行に、第１周囲面（１０）の外側に、配置され、
   ハウジング（２）は、熱交換チューブ（１２）と内管（６）とを囲み、
   インレット（３）は、第１端面（８）と流体的に接続され、
   ガイドエレメント（１３）は、熱交換チューブ（１２）の間に配置され、第１端面（８）を経て内管（６）に入る流体（５）が、径方向（１４）に内管（６）から流れ出て、熱交換チューブ（１２）を越えて流れて、径方向（１４）において熱交換チューブ（１２）とハウジング（２）との間に位置する流出ダクト（１５）に移り、そこで軸方向（７）の流れ方向（１６）に向きを変えられるようになっており、
   流出ダクト（１５）は、アウトレット（４）に流体的に接続されており、
   ガイドエレメント（１３）は、箔状であり、ガイドエレメント（１３）と、熱交換チューブ（１２）の外面と、の間に管路が提供されるように、曲がっており、
   外管（１９）が設けられ、外管（１９）は、内管（６）および熱交換チューブ（１２）の周囲に延び、開口（１１）を有する第２周囲面（２０）を有し、ガイドエレメント（１３）が内管（６）および／または外管（１９）に接続されている、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、第２端面（９）が閉じられるようになっており、周囲面（１０）を経る、および第２端面（９）を経る、流体の流れが制御されるようになっている、装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、熱電素子（１８）が熱交換チューブ（１２）に配置されている、装置。
4. 請求項１〜３の１項に記載の装置であって、少なくとも１つのガイドエレメント（１３）は、少なくとも１つの金属箔（２１）から製造される、装置。
5. 請求項１〜４の１項に記載の装置であって、少なくとも１つのガイドエレメント（１３）が、２〜７ｍｍの間隔（２２）を有して熱交換チューブ（１２）に配置されている、装置。
6. 請求項１〜５の１項に記載の装置であって、少なくとも１つのガイドエレメント（１３）、および／または少なくとも１つの熱交換チューブ（１２）には、流体の流れに乱流を生じさせる構造（２３）が備えられている、装置。
7. 請求項１〜６の１項に記載の装置であって、内管（６）と流出ダクト（１５）との間の流体の流れの圧力損失は、流出ダクト（１５）の第１端（２４）と、ハウジング（２）のアウトレット（４）との間の圧力損失より、少なくとも５倍だけ大きくなっている、装置。
8. 請求項１〜７の１項に記載の装置であって、少なくとも１つのガイドエレメント（１３）が、熱交換チューブ（１２）の回りに少なくとも１２０°の角度領域（２５）にわたって延びている、装置。
9. 請求項１〜８の１項に記載の装置であって、少なくとも１つのガイドエレメント（１３）が、隣接する熱交換チューブ（１２）に対し、一定の間隔（２２）で配置されている、装置。
10. 請求項１〜９の１項に記載の装置であって、少なくとも１つの熱交換チューブ（１２）が、少なくとも部分的に翼形プロファイル（４４）または楕円形プロファイル（４５）を有している、装置。
11. 自動車（２６）であって、内燃機関（２７）と、排気ライン（２８）と、前記排気ライン（２８）に配置された、請求項１〜１０の１項に記載の装置と、を有し、流体（５）は、内燃機関（２７）の排気ガスである、自動車（２６）。

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