WO2022263180A1 - Heat exchanger - Google Patents

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WO2022263180A1
WO2022263180A1 PCT/EP2022/064950 EP2022064950W WO2022263180A1 WO 2022263180 A1 WO2022263180 A1 WO 2022263180A1 EP 2022064950 W EP2022064950 W EP 2022064950W WO 2022263180 A1 WO2022263180 A1 WO 2022263180A1
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WO
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heat exchanger
channel
tube
distributor
tubes
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/064950
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German (de)
French (fr)
Inventor
Richard BRÜMMER
Frank von Lützau
Jan Schultes
Thomas Strauss
Original Assignee
Mahle International Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International Gmbh filed Critical Mahle International Gmbh
Publication of WO2022263180A1 publication Critical patent/WO2022263180A1/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/03Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0391Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits a single plate being bent to form one or more conduits
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029Heat exchange using liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04059Evaporative processes for the cooling of a fuel cell
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0043Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for a fuel cell system with an upper header tank and a lower header tank.
  • the invention also relates to a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • cooling of a fuel cell has to do significantly more.
  • significantly higher amounts of energy have to be dissipated via a coolant, since damage can occur even if the permissible maximum temperature is only slightly exceeded.
  • up to twice the amount of energy must be calculated as waste heat and must be dissipated via a coolant cooler.
  • a coolant temperature required in a fuel cell system that is approx. 10 to 15 °C lower, corresponding increases in performance can only be achieved with larger coolant coolers or generally only with larger heat exchangers.
  • DE 102008051 368 A1 discloses a cooling system for transferring a heat flow from a heat source to a heat sink formed by an air flow with a closed coolant circuit, the closed coolant circuit introducing heat into the coolant circuit in heat-transferring connection with the heat source first heat exchanger and a second heat exchanger that is in heat-transferring connection with the heat sink and discharges heat from the coolant circuit, as well as an adiabatic or evaporation stage with at least one evaporation water in the air humidifier that forms the heat sink and introduces the air flow.
  • DE 19637926 A1 discloses a cooling device for an intercooler with a liquid container for storing a cooling liquid and a spraying device arranged in the vicinity of the cooling device, which has a pump with a pump line for transporting the cooling liquid to the spraying device. If required, water is sprayed onto a front surface of a charging air cooler in the direction of travel of the motor vehicle via a pipe and nozzles.
  • the spray device requires a comparatively complex and multi-part attachment.
  • a similar spray device is known from DE 2358631 A1, by means of which an air flow flowing through a cooling device can be subjected to sprinkler water.
  • a pump, a reservoir and nozzles are also provided here, which are intended to enable finely divided injection of the sprinkler water into the air flow.
  • fixing the nozzles is also complex.
  • DE 11 2007001 422 B4 discloses a cooler with a thermal transmission component with a main surface to be sprayed with a cooling fluid, the thermal transmission component comprising the following components: a first channel, which is formed on the main surface, a second channel, which intersects the first channel, the second channel is formed on the main surface, and the first channel is formed to extend from one end surface of the thermal transmission member to another end surface.
  • the present invention is therefore concerned with the problem of specifying at least one alternative embodiment for a heat exchanger of the generic type, which in particular overcomes the disadvantages known from the prior art.
  • the present invention is based on the general idea of significantly increasing the cooling capacity of a heat exchanger and at the same time optimized and inexpensive to form by providing both a distributor for sprinkling water and corresponding channels introduced on an outer surface of a tube of the heat exchanger.
  • the heat exchanger according to the invention for a fuel cell system has an upper header tank and a lower header tank as well as tubes arranged between them, in particular flat tubes, which are tightly accommodated at their upper end in associated openings, in particular passages, of a first tube base.
  • At least one channel for water distribution or wetting of the outer lateral surface with sprinkling water is provided on an outer lateral surface of at least one of these tubes, with a distributor being provided in the area of the first tube plate, in particular below it, which is fluidically connected to the at least one channel of the at least one egg pipe is connected, whereby sprinkling water is routed from the distributor to the individual channels on the outer shell surfaces of the pipes and these can thus be subjected to sprinkling water during operation of the heat exchanger, whereby an evaporation effect and thus an improved cooling capacity is achieved with an otherwise identically sized cooler and equally large cooling air flow can be.
  • the enthalpy of vaporization required to vaporize the sprinkling water is taken as thermal energy from the immediate surroundings, which cools down as a result.
  • the increase in performance obtained by the heat exchanger according to the invention takes place without increasing an end face or, in general, a heat transfer area or an air mass flow, as a result of which neither the space requirement nor the fan output are significantly increased.
  • With the at least one channel on the at least one outer lateral surface of the at least one pipe a preferably uniform distribution of the sprinkling water over the outer lateral surface of the pipe can be achieved, whereby a large-area evaporation of the sprinkling water and thus also a significant increase in performance of the heat exchanger can be achieved.
  • the tubes are expediently designed as flat tubes, with the at least one channel being designed as a groove or as a bead.
  • a groove or bead can be a folded groove, for example, if the flat tube is designed as a folded flat tube, for example. This makes it possible to use the fold that is already present on the folded tube as a channel for distributing the trickling water on the outer lateral surface of the flat tube, which means that in this case, in purely theoretical terms, folded flat tubes known from the prior art can be used to implement the heat exchanger according to the invention can.
  • the tubes can also be designed as welded tubes. This makes it possible to use the bead present on the welded tube as a channel for distributing the sprinkler water on the outer lateral surface of the flat tube, which means that in this case, purely theoretically, welded flat tubes known from the prior art can be used to implement the heat exchanger according to the invention .
  • additional channels can also be formed, via which the sprinkler water can be distributed. This applies regardless of how the tube is manufactured and is also possible with tubes that otherwise have no fold or bead, for example extruded tubes.
  • the duct is arranged exclusively on a broad side of at least one flat tube, with a duct base touching an opposite broad side.
  • the flat tube can also be divided into different longitudinal channels, for example soldering the channel base to an inside of the opposite broad side also causes the flat tube to be stiffened.
  • At least one channel is arranged on each of the two broad sides of at least one flat tube and touches with its respective channel base.
  • the at least one channel has a triangular, a trapezoidal or a segment-shaped cross section. It is of course conceivable that both the broad side or the surface on the broad side and the channel walls themselves still have structuring, for example knobs or beads, which form a further increase in the surface area available for evaporation, resulting in a further improved Evaporation and thus further improved cooling can be achieved.
  • the distributor is expediently designed as a second tube sheet which, together with the first tube sheet, forms a collection space for sprinkling water.
  • a "double tube plate” enables an extremely small installation space and material requirement, since the first tube plate can already be used for part of the distributor.
  • the distributor can also be designed separately from the first tube sheet and can be arranged below and/or in front of the tubes in the direction of flow. This makes it possible to retrofit the distributor even in known heat exchangers and thereby significantly increase their cooling capacity.
  • a space-optimized solution can be created by a distributor arranged in the direction of flow in front of the tubes or in front of the first tube sheet, which enables a significant increase in performance potential in terms of cooling capacity with a slightly larger space requirement.
  • the distributor is designed in the manner of a rake and engages with rake tines between individual tubes of the heat exchanger, with outlet openings for sprinkler water being arranged on the rake tines.
  • a distributor formed in this way is also particularly advantageous for a retrofit solution, since it can be retrofitted to one independently of the actual heat exchanger, provided that at least a distance between two calculation prongs of the distributor correlates with a distance between two tubes of the heat exchanger.
  • the present invention is also based on the general idea of a fuel cell system with at least one fuel cell and a heat exchanger that controls it, in accordance with the previous paragraphs.
  • the sprinkling water used to increase the performance of the heat exchanger is a combustion product of the fuel cell. This makes it possible, at least to a large extent, to dispense with separately entrained sprinkling water, since the sprinkling water required to increase the performance of the heat exchanger is generated by the fuel cell itself during its operation.
  • at least a small tank for carrying along and storing sprinkling water can of course also be provided, with the use of the water produced as a combustion product of the fuel cell as sprinkling water offering a considerable advantage.
  • the present invention is also based on the general idea of equipping a motor vehicle with such a fuel cell system and thereby obtaining a motor vehicle that is space-optimized, powerful and has a significantly increased range.
  • each schematically: 1 shows a sectional view through a heat exchanger according to the invention in the area of a first tube sheet with a second tube sheet to form a distributor,
  • FIG. 2 shows a representation as in FIG. 1 , but with a different second one
  • Fig. 4 shows a representation as in Fig. 3, but with a recessed center
  • FIG. 6 shows a representation with a rake-like distributor arranged on one side and upstream of the heat exchanger
  • Fig. 7 to 10 different cross-sectional shapes through a tube of a heat exchanger according to the inventions to the invention.
  • a heat exchanger 1 according to the invention for a fuel cell system 2 of a motor vehicle 3 has an upper header tank 4 and a lower header tank (not shown), between which ste existing tubes 5 are arranged, which at their upper end tightly in associated openings 6, for example drafts, a first tube sheet 7 are included men.
  • the tubes 5 can be designed as flat tubes, for example, and have at least one channel 9 (cf. in particular also FIGS. 7 to 10) for water distribution, in particular for the distribution of sprinkler water 11, on an outer lateral surface 8.
  • a distributor 10 is provided, which is fluidically connected to the at least one channel 9 of the at least one pipe 5 and collected in the sprinkler water 11, for example as a combustion product of a fuel cell of the fuel cell system 2, and to increase the cooling capacity during operation of the heat exchanger 1 via the at least one outer lateral surface 8 is delivered to at least one tube 5 .
  • This allows the sprinkling water 11 (see FIG. 4) to evaporate on the at least one outer surface 8, with the energy required for this being extracted from the heat of a coolant flowing in the tubes 5 and the coolant in the tubes 5 being cooled better as a result.
  • the heat exchanger 1 With the heat exchanger 1 according to the invention, a design that is optimized in terms of installation space and at the same time an increased cooling capacity can be achieved without having to increase the fan output, for example, which would lead to a larger or more powerful motor vehicle 3 in particular in the case of a motor vehicle 3 powered by a fuel cell Fan would have to be installed, which requires more electrical energy and thereby the range of the motor vehicle 3 is limited.
  • the water produced as combustion product in the fuel cell can be used as sprinkler water 11 for improved cooling.
  • a separate water transport is dispensable Lich, whereby the motor vehicle 3 can be made lighter.
  • the tubes 5 can be in the form of flat tubes, with at least one channel 9 being in the form of a groove or a bead.
  • the at least one channel 9 can also be arranged in the area of a fold 12 (cf. FIG. 1) or a weld seam if the pipe 5 is designed, for example, as a folded pipe or as a welded pipe. This makes it possible to use the IN ANY way through the fold 12 which cross section as a channel 9 .
  • the amount of sprinkling water 11 distributed via the distributor 10 over the at least one outer lateral surface 8 of the at least one pipe 9 allows both a uniform wetting of the outer lateral surface 8 due to the channels 9, which are preferably designed as beads or channels, and thus at the same time a uniform cooling of the same the sprinkling water 11 evaporating during operation of the heat exchanger 1.
  • a cross-sectional geometry of the at least one duct 9 can result from the production process, in particular with regard to a manufacturing process for the respective pipe 5, so that the at least one duct 9 can, for example, be formed by a folding process, a welding process or an extrusion process.
  • the channels 9 attached to the outer jacket side 8 of the tubes 5 form connections or passages below half of the ribs 13 (see FIGS. 1 and 7), which allow water to be transported from rib arch to rib arch along a longitudinal direction 14 of the tubes 5.
  • a corresponding channel 9 can be provided for an improved distribution of the sprinkling water 11 on the outer lateral surface 8 of at least one pipe 5, but also ribs 13 or other depressions or elevations, which on the one hand provide a surface available for heat transfer increase and allow for a steering of the running on the tubes 5 sprinkling water 11, whereby improved evaporation and thereby improved cooling can be achieved.
  • the sprinkling water 11 should be distributed as evenly as possible over the length of the pipe and over all the pipes 5 . If one looks again at the heat exchanger 1 according to the invention as shown in FIG. 1, the distributor 10 is designed as a second tube plate 17, which offers the great advantage that, in principle, no complex changes to a previous construction are required.
  • a type of double tube plate in the manner of a second tube plate 17 is also shown in the embodiment of the heat exchanger 1 according to the invention according to Fig. 2, in which case the second tube plate 17 is designed as a thin-walled sheet metal part, which on the one hand creates a material connection with the Tubes 5 and the first tube plate 7, but nevertheless, compared to the heat exchanger 1 according to FIG 1 according to Fig.
  • this has a sloping bottom 19, whereby the respectively associated pipe 5 can be subjected to varying degrees of sprinkler water 11 in the direction of flow 20.
  • the ge according to FIG. 3 shown tube 5 has at least two extending over the longitudinal direction by 14 channels 9, wherein the front in the direction of travel and rear in flow direction 20 through channel 9 more sprinkler water 11 leads.
  • the heat exchanger 1 according to FIG. 4 has a distributor 10 with an angled bottom 19 which is fluidly connected at its lowest point to the channel 9 and via this sprinkling water 11 derives on the outer lateral surface 8 of the tube 5 designed as a flat tube.
  • a two-part distributor 10 is shown, which is arranged in front of and behind the tubes 5 in the direction of travel.
  • the aim of the distributor variants is that the water from the distributor 10 as completely as possible in the channels 9 and from it is then distributed over the heat exchanger 1, in particular a uniform distribution should also be achieved as independently as possible of the driving speed.
  • the idea behind the two-part variant is that the two parts of the distributor 10 with ribs 24 on the pipe 5 that extend in the direction of flow 20 form a space 23 for water distribution and the sprinkler water 11 from this space 23 into the channels 9 and from there into Tube longitudinal direction 14 flows over the tubes 5.
  • the ribs 24 run transversely to the channel 9 and can extend over the entire broad side 15 of the tubes 5.
  • a rib curve is a rounding of a wave-shaped rib 24, that is to say the part of the rib 24 which is soldered to the tube 5. If the outer surface of the tube 5 is flat and the rib bends are also flat or have no interruptions, a continuous soldering is achieved over the entire depth of the cooler.
  • a Wasserver distribution along the tubes 5, that is, in the longitudinal direction would not be possible.
  • an opening can be achieved between the distributor 10 and the broad side 15 of the pipe 5, whereby the sprinkler water 11 can be distributed undisturbed from the respective ribs 24 or rib curves in the longitudinal direction of the pipe and ideally at each rib 24 a small part of the sprinkling water 11 emerges from the channel 9 and is distributed over the pipes 5 or their broad sides 15a, 15b and thus contributes to increasing the heat transfer.
  • the distributor can also be mounted on one side in front of or behind the tubes 5 .
  • a cover can be provided on the opposite side in order to prevent the sprinkling water 11 from escaping.
  • a reshaping can be carried out on the rib 24 (in the costal arch or radius), which is for one Passage/opening ensures through which sprinkling water 11 can be passed from rib cage to rib cage and thus also distribution of the irrigation water 11 along the longitudinal direction 14 of the tubes 5 is made possible.
  • This recess can be made either as a cutout (by punching/cutting) or simply by embossing back the corresponding part of the rib arch. The embossing can take place during the rolling process of the rib 24 or afterwards, before the rib 24 is installed in the tube 5/rib package (radiator network).
  • the gill field in the vicinity of this reshaping must or can be adjusted/optimized for this reshaping if necessary.
  • the shape of the recess/embossing can be V-shaped, trapezoidal, or (circular) arc-shaped.
  • the water distribution can be improved by embossed ribs 24 in particular, in particular the channels 9 arranged on the broad sides 15a, 15b can be expanded - or the smaller channels already present on welding pipes, for example, can be expanded to such an extent that they can be Combination with such a rib 24 have sufficiently large cross sections to allow water distribution
  • FIG. 6 in turn shows a distributor 10 which is designed in the manner of a rake and engages with rake tines 21 in spaces between two adjacent flat tubes, outlet openings 22, for example also nozzles, for sprinkling water 11 being arranged on the rake tines 21 are.
  • the sprinkling water 11 is distributed more or less over a large area over the outer lateral surface 8.
  • the two-piece variant with a two-sided or one-sided distributor, or the rake are embodiments that can be retrofitted or without one fundamental change in the manufacturing process as an add-on at the end of the previous production line.
  • the embodiment with the rake is similar to that sketched with the two-part distributor 10, only that here the space for the water distribution is not exactly defined.
  • the distributor 10 can in principle be designed separately from the heat exchanger 1, as shown for example in FIG. 6, or form part of the heat exchanger, as shown in FIGS the distributor 10 is at least partially cohesively connected to the heat exchanger 1, for example with its first tubular surface 7, in particular soldered.
  • channels 9 are provided on both broadsides 15a and 15b, which are in the channel base 16 with the opposite channel base 16 or also the broadside touch 15a, 15b or not able to touch. In the example, they do not touch with their respective channel base 16 on the left channel 9, but on the right channel 9.
  • a cross-sectional shape of the ducts 9 according to FIGS. 7 to 8 is rounded, although, of course, ducts 9 with a rectangular cross section (cf. FIGS. 10b and 10c) or trapezoidal ducts 9 (cf. FIG. 10a) or those not shown can also be used triangular, semicircular, oval segment-shaped channels 9 can be provided.
  • the width of the respective channel 9 or the depth of the channel bottom 16 allows the irrigation water 11 to be routed along the longitudinal direction 14 of the respective pipe 5 as well as to distribute it and thus evaporate it and thus indirectly in turn improve the cooling capacity of the heat exchanger 1 influence.
  • the heat exchanger 1 according to the invention for a fuel cell system 2 a significantly increased cooling capacity is possible, please include the same size heat exchanger, with the water occurring as a combustion product being able to be used as sprinkling water 11 at the same time, particularly in a fuel cell system 2.
  • significantly improved cooling and thus temperature control of the motor vehicle 3 equipped with such a fuel cell system 2 can be achieved.

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Abstract

The invention relates to a heat exchanger (1) for a fuel cell system (2) with an upper header tank (4) and a lower header tank, between which are arranged upright tubes (5) which are accommodated tightly at their upper end in associated openings (6) in a first tube plate (7). In order to achieve improved cooling, at least one duct (9) for distributing water is provided on an outer lateral surface (8) of at least one tube (5), and, below the first tube plate (7), there is a distributor (10) which is fluidically connected to the at least one duct (9) of the at least one tube (5).

Description

Wärmeübertrager heat exchanger
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Brennstoffzellen system mit einem oberen Sammelkasten und einem unteren Sammelkasten, ge mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem solchen, diese Brennstoffzelle temperierenden Wärmeübertrager. Die Erfindung betrifft au ßerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem. The present invention relates to a heat exchanger for a fuel cell system with an upper header tank and a lower header tank. The invention also relates to a motor vehicle with such a fuel cell system.
Verglichen mit einer herkömmlichen Motorkühlung einer Brennkraftmaschine hat eine Kühlung einer Brennstoffzelle deutlich mehr zu leisten. Bei niedrigeren Pro zesstemperaturen müssen dabei deutlich höhere Energiemengen über ein Kühl mittel abgeführt werden, da es auch bei einem nur geringfügigen Überschreiten ei ner zulässigen Maximaltemperatur zu Schäden kommen kann. Generell gilt dabei, dass bei einer im Wesentlichen gleichen Fahrleistung in einem mit einer Brenn stoffzelle betriebenen Kraftfahrzeug mit bis zu der doppelten Energiemenge als Abwärme gerechnet und über einen Kühlmittelkühler abgeführt werden muss. Ver bunden mit einer im einem Brennstoffzellensystem erforderlichen, um ca. 10 bis 15 °C niedrigeren Kühlmitteltemperatur, sind entsprechende Leistungssteigerun gen nur über vergrößerte Kühlmittelkühler beziehungsweise generell nur über ver größerte Wärmeübertrager nicht darstellbar. Eine Steigerung einer Kühlleistung über einen höheren Kühlluftstrom erfordert wiederum überproportional mehr An triebsleistung in einem Lüfter, wobei aufgrund einer fehlenden mechanischen Kopplung mit einer Kurbelwelle bei einem Brennstoffzellenfahrzeug ein Elektromo tor zum Einsatz kommen muss, der für den höheren Kühlluftstrom wiederum deut lich mehr elektrische Energie verbraucht, was sich negativ auf eine zur Verfügung stehende Fahrzeugreichweite auswirkt. In beiden Fällen gilt zudem, dass Fakto- ren, wie ein begrenzter Bauraum, ein begrenztes Gewicht, ein vorgegebenes De sign sowie auch die Herstellungskosten vergrößerten oder leistungsstarkeren Wärmeübertrager enge Grenzen setzen. Compared to conventional engine cooling of an internal combustion engine, cooling of a fuel cell has to do significantly more. At lower process temperatures, significantly higher amounts of energy have to be dissipated via a coolant, since damage can occur even if the permissible maximum temperature is only slightly exceeded. In general, with essentially the same driving performance in a motor vehicle operated with a fuel cell, up to twice the amount of energy must be calculated as waste heat and must be dissipated via a coolant cooler. Combined with a coolant temperature required in a fuel cell system that is approx. 10 to 15 °C lower, corresponding increases in performance can only be achieved with larger coolant coolers or generally only with larger heat exchangers. An increase in cooling capacity via a higher cooling air flow in turn requires disproportionately more drive power in a fan, whereby due to a lack of mechanical coupling with a crankshaft in a fuel cell vehicle an electric motor has to be used, which in turn consumes significantly more electrical energy for the higher cooling air flow , which has a negative effect on the available vehicle range. In both cases it also applies that facto- such as a limited installation space, a limited weight, a given design and also the manufacturing costs, place narrow limits on increased or more powerful heat exchangers.
Um beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern eine erhöhte Kühlleistung zu erzielen, ist es deshalb bekannt, eine direkte Kühlung des Wärmeübertragers durch Beaufschlagung mit Berieselungswasser und Erzeu gen eines Verdunstungseffektes einzusetzen. In order, for example, to achieve increased cooling capacity in heat exchangers known from the prior art, it is therefore known to use direct cooling of the heat exchanger by applying sprinkler water and generating an evaporation effect.
Aus der DE 102008051 368 A1 ist ein Kühlsystem zur Übertragung eines Wär mestroms von einer Wärmequelle an eine durch einen Luftstrom gebildete Wär mesenke mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf bekannt, wobei der ge schlossene Kühlmittelkreislauf einen mit der Wärmequelle in wärmeübertragender Verbindung stehenden, Wärme in den Kühlmittelkreislauf eintragenden ersten Wärmetauscher und einen mit der Wärmesenke in wärmeübertragender Verbin dung stehenden, Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf ausschleusenden, zweiten Wärmeübertrager umfasst sowie zusätzlich eine Adiabatik- bzw. Verdunstungs stufe mit mindestens einem Verdunstungswasser in den die Wärmesenke bilden den Luftstrom eintragenden Luftbefeuchter. DE 102008051 368 A1 discloses a cooling system for transferring a heat flow from a heat source to a heat sink formed by an air flow with a closed coolant circuit, the closed coolant circuit introducing heat into the coolant circuit in heat-transferring connection with the heat source first heat exchanger and a second heat exchanger that is in heat-transferring connection with the heat sink and discharges heat from the coolant circuit, as well as an adiabatic or evaporation stage with at least one evaporation water in the air humidifier that forms the heat sink and introduces the air flow.
Aus der DE 19637926 A1 ist eine Kühleinrichtung für einen Ladeluftkühler mit ei nem Flüssigkeitsbehälter zum Aufbewahren einer Kühlflüssigkeit und einer in Nachbarschaft der Kühlereinrichtung angeordneten Sprüheinrichtung bekannt, die eine Pumpe mit einer Pumpenleitung zum Transportieren der Kühlflüssigkeit zur Sprüheinrichtung aufweist. Über ein Rohr und Düsen wird dabei bei Bedarf Was ser auf eine in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs vordere Oberfläche eines Lade luftkühlers gesprüht. Die Sprüheinrichtung erfordert dabei jedoch eine vergleichs weise aufwendige und mehrteilige Befestigung. Aus der DE 2358631 A1 ist eine ähnliche Sprüheinrichtung bekannt, mittels wel cher ein eine Kühleinrichtung durchströmender Luftstrom mit Berieselungswasser beaufschlagt werden kann. Auch hier sind eine Pumpe, ein Vorratsbehälter und Düsen vorgesehen, die ein fein verteiltes Einspritzen des Berieselungswassers in den Luftstrom ermöglichen sollen. Die Fixierung der Düsen ist jedoch ebenfalls aufwendig gestaltet. DE 19637926 A1 discloses a cooling device for an intercooler with a liquid container for storing a cooling liquid and a spraying device arranged in the vicinity of the cooling device, which has a pump with a pump line for transporting the cooling liquid to the spraying device. If required, water is sprayed onto a front surface of a charging air cooler in the direction of travel of the motor vehicle via a pipe and nozzles. However, the spray device requires a comparatively complex and multi-part attachment. A similar spray device is known from DE 2358631 A1, by means of which an air flow flowing through a cooling device can be subjected to sprinkler water. A pump, a reservoir and nozzles are also provided here, which are intended to enable finely divided injection of the sprinkler water into the air flow. However, fixing the nozzles is also complex.
Aus der DE 11 2007001 422 B4 ist ein Kühler mit einem thermischen Übertra gungsbauteil mit einer mit einem Kühlfluid zu besprühenden Hauptfläche bekannt, wobei das thermische Übertragungsbauteil folgende Komponenten umfasst: Einen ersten Kanal, der auf der Hauptfläche ausgebildet ist, ein zweiten Kanal, der den ersten Kanal schneidet, wobei der zweite Kanal auf der Hauptfläche ausgebildet ist und wobei der erste Kanal derart ausgebildet ist, dass er sich von einer Endflä che des thermischen Übertragungsbauteils zu einer anderen Endfläche erstreckt. Hierdurch kann zwar eine erhöhte Kühlleistung geschaffen werden, jedoch eben falls wiederum nur mit vergleichsweise hohem Konstruktionsaufwand und zusätzli chem Bauraumbedarf. DE 11 2007001 422 B4 discloses a cooler with a thermal transmission component with a main surface to be sprayed with a cooling fluid, the thermal transmission component comprising the following components: a first channel, which is formed on the main surface, a second channel, which intersects the first channel, the second channel is formed on the main surface, and the first channel is formed to extend from one end surface of the thermal transmission member to another end surface. As a result, although an increased cooling capacity can be created, but again only with a comparatively high design effort and additional chemical space requirements.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wär meübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte, zumindest eine alterna tive Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Tech nik bekannten Nachteile überwindet. The present invention is therefore concerned with the problem of specifying at least one alternative embodiment for a heat exchanger of the generic type, which in particular overcomes the disadvantages known from the prior art.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhän gigen Ansprüche. According to the invention, this problem is solved by the subject matter of independent claim 1 . Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Kühlleis tung eines Wärmeübertragers deutlich zu steigern und diesen zugleich bauraum- optimiert und kostengünstig auszubilden, indem sowohl ein Verteiler für Beriese lungswasser als auch entsprechende auf einer Außenmantelfläche eines Rohres des Wärmeübertragers eingebrachte Kanäle vorgesehen werden. Der erfindungs gemäße Wärmeübertrager für ein Brennstoffzellensystem besitzt dabei einen obe ren Sammelkasten sowie einen unteren Sammelkasten sowie dazwischen ste hend angeordnete Rohre, insbesondere Flachrohre, die an ihrem oberen Ende dicht in zugehörigen Öffnungen, insbesondere Durchzügen, eines ersten Rohrbo dens aufgenommen sind. An einer Außenmantelfläche zumindest eines dieser Rohre ist dabei zumindest ein Kanal zu Wasserverteilung beziehungsweise Was serbenetzung der Außenmantelfläche mit Berieselungswasser vorgesehen, wobei im Bereich des ersten Rohrbodens, insbesondere unterhalb desselben, ein Vertei ler vorgesehen ist, derfluidisch mit dem zumindest einen Kanal des zumindest ei nen Rohres verbunden ist, wodurch Berieselungswasser aus dem Verteiler zu den einzelnen Kanälen an den Außenmantelflächen der Rohre geleitet und diese dadurch im Betrieb des Wärmeübertragers mit Berieselungswasser beaufschlagt werden können, wodurch ein Verdunstungseffekt und damit eine verbesserte Kühlleistung bei ansonsten gleich großem Kühler und gleich großem Kühlluftstrom erreicht werden kann. Die zum Verdampfen des Berieselungswassers benötigte Verdampfungsenthalpie wird dabei als Wärmeenergie der unmittelbaren Umge bung entnommen, die dadurch abkühlt. Die durch den erfindungsgemäßen Wär meübertrager gewonnene Leistungssteigerung erfolgt dabei ohne Erhöhung einer Stirnfläche beziehungsweise generell einer Wärmeübertragungsfläche oder eines Luftmassenstroms, wodurch weder der Bauraumbedarf noch die Lüfterleistung wesentlich erhöht werden. Mit dem zumindest einen Kanal auf der zumindest ei nen Außenmantelfläche des zumindest einen Rohres kann eine vorzugsweise gleichmäßige Verteilung des Berieselungswassers über die Außenmantelfläche des Rohres erreicht werden, wodurch eine großflächige Verdunstung des Beriese lungswassers und damit auch eine deutliche Leistungssteigerung des Wärmeüber tragers erreicht werden können. Zweckmäßig sind die Rohre als Flachrohre ausgebildet, wobei der zumindest ei nen Kanal als Rinne oder als Sicke ausgebildet ist. Eine derartige Rinne bezie hungsweise Sicke kann beispielsweise eine Falznut sein, sofern das Flachrohr beispielsweise als gefalztes Flachrohr ausgebildet ist. Flierdurch ist es möglich, den ohnehin an dem Falzrohr vorhandenen Falz als Kanal zur Verteilung des Be rieselungswassers auf der Außenmantelfläche des Flachrohrs zu nutzen, wodurch in diesem Fall rein theoretisch sogar bislang aus dem Stand der Technik bekannte gefalzte Flachrohre zu Realisierung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers verwendet werden können. The present invention is based on the general idea of significantly increasing the cooling capacity of a heat exchanger and at the same time optimized and inexpensive to form by providing both a distributor for sprinkling water and corresponding channels introduced on an outer surface of a tube of the heat exchanger. The heat exchanger according to the invention for a fuel cell system has an upper header tank and a lower header tank as well as tubes arranged between them, in particular flat tubes, which are tightly accommodated at their upper end in associated openings, in particular passages, of a first tube base. At least one channel for water distribution or wetting of the outer lateral surface with sprinkling water is provided on an outer lateral surface of at least one of these tubes, with a distributor being provided in the area of the first tube plate, in particular below it, which is fluidically connected to the at least one channel of the at least one egg pipe is connected, whereby sprinkling water is routed from the distributor to the individual channels on the outer shell surfaces of the pipes and these can thus be subjected to sprinkling water during operation of the heat exchanger, whereby an evaporation effect and thus an improved cooling capacity is achieved with an otherwise identically sized cooler and equally large cooling air flow can be. The enthalpy of vaporization required to vaporize the sprinkling water is taken as thermal energy from the immediate surroundings, which cools down as a result. The increase in performance obtained by the heat exchanger according to the invention takes place without increasing an end face or, in general, a heat transfer area or an air mass flow, as a result of which neither the space requirement nor the fan output are significantly increased. With the at least one channel on the at least one outer lateral surface of the at least one pipe, a preferably uniform distribution of the sprinkling water over the outer lateral surface of the pipe can be achieved, whereby a large-area evaporation of the sprinkling water and thus also a significant increase in performance of the heat exchanger can be achieved. The tubes are expediently designed as flat tubes, with the at least one channel being designed as a groove or as a bead. Such a groove or bead can be a folded groove, for example, if the flat tube is designed as a folded flat tube, for example. This makes it possible to use the fold that is already present on the folded tube as a channel for distributing the trickling water on the outer lateral surface of the flat tube, which means that in this case, in purely theoretical terms, folded flat tubes known from the prior art can be used to implement the heat exchanger according to the invention can.
Weiterhin können die Rohre auch als Schweißrohr ausgebildet sein. Hierdurch ist es möglich, die an dem Schweißrohr vorhandene Sicke als Kanal zur Verteilung des Berieselungswassers auf der Außenmantelfläche des Flachrohrs zu nutzen, wodurch in diesem Fall rein theoretisch sogar bislang aus dem Stand der Technik bekannte geschweißte Flachrohre zu Realisierung des erfindungsgemäßen Wär meübertragers verwendet werden können. Furthermore, the tubes can also be designed as welded tubes. This makes it possible to use the bead present on the welded tube as a channel for distributing the sprinkler water on the outer lateral surface of the flat tube, which means that in this case, purely theoretically, welded flat tubes known from the prior art can be used to implement the heat exchanger according to the invention .
Zusätzlich oder alternativ zum Falz bzw. der Sicke können auch zusätzliche Ka näle ausgebildet werden, über die das Berieselungswasser verteilt werden kann. Dies gilt unabhängig von der Herstellungsart des Rohres und ist auch bei Rohren möglich, die sonst keinen Falz oder Sicke haben, beispielsweise extrudierten Roh ren. In addition or as an alternative to the fold or bead, additional channels can also be formed, via which the sprinkler water can be distributed. This applies regardless of how the tube is manufactured and is also possible with tubes that otherwise have no fold or bead, for example extruded tubes.
Dabei ist selbstverständlich klar, dass zu einer besseren Verteilung des Beriese lungswassers nicht nur der durch einen Falz gebildete Kanal eingesetzt werden kann, sondern weitere zusätzlich eingeprägte Kanäle, die mit dem durch den Falz gebildeten Kanal eine Verästelung bilden und dadurch eine großflächige Vertei lung des Berieselungswassers über die Außenmantelfläche des Flachrohres und damit auch eine großflächige Verdunstung des Berieselungswassers und damit eine erhöhte Kühlleistung ermöglichen. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kanal ausschließlich auf einer Breitseite zumindest eines Flachrohrs angeordnet, wobei ein Kanalgrund eine gegenüberliegende Breitseite berührt. Durch eine derartige Kanalgeometrie kann eine deutliche Vergrößerung der für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Fläche des Flachrohrs erreicht werden, wobei der Kanal aufgrund seiner vergleichsweise großen Tiefe eine große mit dem in dem Kanal strömenden Berieselungswasser in Kontakt stehende Fläche bietet, wodurch eine hohe Kühlleistung erzielbar ist. Durch einen vertieften Kanal kann ausreichend Verdunstungswasser in das Kühlernetz transportiert werden, das heißt, es kann mehr Wasser möglichst über die ganze Kanallänge bereitgestellt werden. It is of course clear that for a better distribution of the sprinkling water not only the channel formed by a fold can be used, but also other additionally embossed channels that branch out with the channel formed by the fold and thus a large-scale distribution of the sprinkling water over the outer jacket surface of the flat tube and thus also enable a large-area evaporation of the sprinkler water and thus an increased cooling capacity. In an advantageous development of the solution according to the invention, the duct is arranged exclusively on a broad side of at least one flat tube, with a duct base touching an opposite broad side. With such a channel geometry, a significant increase in the surface area of the flat tube available for heat transfer can be achieved, with the channel offering a large surface area in contact with the sprinkler water flowing in the channel due to its comparatively great depth, as a result of which a high cooling capacity can be achieved . Sufficient evaporation water can be transported into the cooling network through a deepened channel, which means that more water can be provided over the entire channel length if possible.
Zugleich kann mit einem derart ausgebildeten Kanal nicht nur eine Breitseite des Flachrohrs oberflächlich im Bereich des Kanals gekühlt werden, sondern eine be sonders effektive Kühlung des Flachrohrs und zwar sowohl auf einer Breitseite als auch auf den vergleichsweise tiefen Kanalwänden. Durch die Berührung des Ka nalgrundes mit der gegenüberliegenden Breitseite kann zugleich auch eine Tei lung des Flachrohrs in unterschiedliche Längskanäle geschaffen werden, wobei beispielsweise eine Verlötung des Kanalgrundes mit einer Innenseite der gegen überliegenden Breitseite zusätzlich eine Aussteifung des Flachrohrs bewirkt. At the same time, with a channel designed in this way, not only can a broad side of the flat tube be cooled superficially in the area of the channel, but also a particularly effective cooling of the flat tube, namely both on a broad side and on the comparatively deep channel walls. By touching the channel base with the opposite broad side, the flat tube can also be divided into different longitudinal channels, for example soldering the channel base to an inside of the opposite broad side also causes the flat tube to be stiffened.
Durch eine Verlötung des Kanalgrunds mit der gegenüberliegenden Breitseite ist durch das in dem Kanal vorhandene Berieselungswasser sogar eine lokale Küh lung der gegenüberliegenden Breitseite möglich. By soldering the bottom of the channel to the opposite broadside, local cooling of the opposite broadside is even possible due to the sprinkler water present in the channel.
Bei eine weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist auf beiden Breitseiten zumindest eines Flachrohres jeweils zumindest ein Kanal angeordnet, die sich mit ihrem jeweiligen Kanalgrund berühren. Hierdurch ist eine Unterteilung des Flachrohrs in unterschiedliche, durch jeweils zwei gegenüberlie gende Kanäle voneinander getrennte Längskanäle in dem Flachrohr möglich, wo bei aufgrund der beiden, das Flachrohr teilenden Kanäle eine vergleichsweise große Oberfläche zu Verdunstung von Berieselungswasser auf beiden Breitseiten geschaffen werden kann. Diese Lösung führt auch zu einem symmetrischen Rohr, und verhindert damit, dass die Rohre im Fertigungsprozess des Kühlerblocks aus gerichtet / sortiert bzw. orientiert werden müssen. In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, at least one channel is arranged on each of the two broad sides of at least one flat tube and touches with its respective channel base. This makes it possible to subdivide the flat tube into different longitudinal channels in the flat tube, separated from one another by two opposite channels in each case, where, due to the two channels dividing the flat tube, a comparatively large surface for evaporation of sprinkling water can be created on both broadsides. This solution also leads to a symmetrical tube, thus preventing the tubes from having to be straightened / sorted or oriented in the manufacturing process of the cooler core.
Dieser Vorteil ist auch bei einerweiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfin dungsgemäßen Lösung zu finden, bei der jeweils mindestens ein Kanal auf jeder der Breitseiten zumindest eines Flachrohrs versetzt angeordnet ist, wobei ein Ka nalgrund eine gegenüberliegende Breitseite berührt (Fig. 10, Variante c) This advantage can also be found in a further advantageous development of the solution according to the invention, in which at least one channel is arranged offset on each of the broad sides of at least one flat tube, with a channel bottom touching an opposite broad side (Fig. 10, variant c).
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers weist der zumindest eine Kanal einen dreieckförmigen, einen trapezförmigen oder einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf. Dabei ist natürlich denkbar, dass so wohl die Breitseite beziehungsweise die Oberfläche an der Breitseite als auch die Kanalwände selbst noch Strukturierungen, beispielsweise Noppen oder Sicken, aufweisen, die eine nochmalige Vergrößerung der für die Verdunstung zur Verfü gung stehenden Oberfläche bilden, wodurch eine nochmals verbesserte Verduns tung und damit eine nochmals verbesserte Kühlung erreicht werden können. In an advantageous development of the heat exchanger according to the invention, the at least one channel has a triangular, a trapezoidal or a segment-shaped cross section. It is of course conceivable that both the broad side or the surface on the broad side and the channel walls themselves still have structuring, for example knobs or beads, which form a further increase in the surface area available for evaporation, resulting in a further improved Evaporation and thus further improved cooling can be achieved.
Zweckmäßig ist der Verteiler als zweiter Rohrboden ausgebildet, der mit dem ers ten Rohrboden einen Sammelraum für Berieselungswasser bildet. Eine derartige Variante mit einem "doppelten Rohrboden" ermöglicht einen äußerst geringen Bauraum- und Materialbedarf, da für einen Teil des Verteilers bereits der erste Rohrboden mitverwendet werden kann. Hierbei ist auch eine gleichzeitige Herstel lung des Verteilers mit der Herstellung des Wärmeübertragers, beispielsweise in einem gemeinsamen Lötprozess, denkbar, wodurch sich der erfindungsgemäße Wärmeübertrager mit nur marginal höheren Herstellungskosten produzieren lässt. The distributor is expediently designed as a second tube sheet which, together with the first tube sheet, forms a collection space for sprinkling water. Such a variant with a "double tube plate" enables an extremely small installation space and material requirement, since the first tube plate can already be used for part of the distributor. Simultaneous production of the distributor with the production of the heat exchanger, for example in a joint soldering process, is also conceivable, as a result of which the heat exchanger according to the invention can be produced with only marginally higher production costs.
Alternativ kann der Verteiler auch separat zum ersten Rohrboden ausgebildet und unterhalb und/oder in Durchströmungsrichtung vor den Rohren angeordnet sein. Hierdurch ist es möglich, den Verteiler auch bei bekannten Wärmeübertragern nachzurüsten und dadurch deren Kühlleistung deutlich zu erhöhen. Insbesondere durch einen in Durchströmungsrichtung vor den Rohren beziehungsweise vor dem ersten Rohrboden angeordneten Verteiler kann eine bauraumoptimierte Lösung geschaffen werden, die bei geringfügig größerem Bauraumbedarf ein erhebliches Leistungssteigerungspotenzial hinsichtlich der Kühlleistung ermöglicht. Alternatively, the distributor can also be designed separately from the first tube sheet and can be arranged below and/or in front of the tubes in the direction of flow. This makes it possible to retrofit the distributor even in known heat exchangers and thereby significantly increase their cooling capacity. In particular, a space-optimized solution can be created by a distributor arranged in the direction of flow in front of the tubes or in front of the first tube sheet, which enables a significant increase in performance potential in terms of cooling capacity with a slightly larger space requirement.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Verteiler in der Art eines Rechens ausgebildet und greift mit Rechenzinken zwischen einzelne Rohre des Wärmeübertragers ein, wobei an den Rechenzinken Auslassöffnungen für Berieselungswasser angeordnet sind. Auch ein derart aus gebildeter Verteiler ist insbesondere für eine Nachrüstlösung besonders vorteil haft, da er unabhängig vom eigentlichen Wärmeübertrager nachträglich an einen solchen angebaut werden kann, sofern zumindest ein Abstand zwischen zwei Re chenzinken des Verteilers mit einem Abstand zwischen zwei Rohren des Wärme übertragers korreliert. In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the distributor is designed in the manner of a rake and engages with rake tines between individual tubes of the heat exchanger, with outlet openings for sprinkler water being arranged on the rake tines. A distributor formed in this way is also particularly advantageous for a retrofit solution, since it can be retrofitted to one independently of the actual heat exchanger, provided that at least a distance between two calculation prongs of the distributor correlates with a distance between two tubes of the heat exchanger.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter mit dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem diese tem perierenden Wärmeübertrager entsprechenden den vorherigen Absätzen anzuge ben, wobei das Berieselungswasser zur Leistungssteigerung des Wärmeübertra gers ein Verbrennungsprodukt der Brennstoffzelle ist. Hierdurch ist es möglich, auf separat mitzuführendes Berieselungswasser zumindest großenteils zu verzichten, da das zu Leistungssteigerung des Wärmeübertragers erforderliche Berieselungs wasser von der Brennstoffzelle selbst bei deren Betrieb erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ kann selbstverständlich auch ein zumindest geringfügiger Tank zur Mitführung und Speicherung von Berieselungswasser vorgesehen werden, wobei die Nutzung des als Verbrennungsprodukt der Brennstoffzelle entstehenden Was sers als Berieselungswasser einen erheblichen Vorteil bietet. Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem auszustatten und dadurch ein bauraumoptimiertes, leistungsstarkes und mit deutlich vergrößerter Reichweite ausgestattetes Kraftfahrzeug zu erhalten. The present invention is also based on the general idea of a fuel cell system with at least one fuel cell and a heat exchanger that controls it, in accordance with the previous paragraphs. The sprinkling water used to increase the performance of the heat exchanger is a combustion product of the fuel cell. This makes it possible, at least to a large extent, to dispense with separately entrained sprinkling water, since the sprinkling water required to increase the performance of the heat exchanger is generated by the fuel cell itself during its operation. In addition or as an alternative, at least a small tank for carrying along and storing sprinkling water can of course also be provided, with the use of the water produced as a combustion product of the fuel cell as sprinkling water offering a considerable advantage. The present invention is also based on the general idea of equipping a motor vehicle with such a fuel cell system and thereby obtaining a motor vehicle that is space-optimized, powerful and has a significantly increased range.
Alles im allem kann mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager, mit dem erfin dungsgemäßen Brennstoffzellensystem und mit dem erfindungsgemäßen Kraft fahrzeug eine deutliche Steigerung einer Kühlleistung erreicht werden, ohne we sentlichen Einfluss auf einen luftseitigen Druckabfall, ohne wesentlich größeren Bauraumbedarf und ohne wesentliche Vergrößerung des Wärmeübertragers be ziehungsweise Erhöhung einer Lüfterleistung. All in all, with the heat exchanger according to the invention, with the fuel cell system according to the invention and with the motor vehicle according to the invention, a significant increase in cooling capacity can be achieved without any significant influence on an air-side pressure drop, without a significantly larger installation space requirement and without a significant enlargement of the heat exchanger or increase a fan power.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Further important features and advantages of the invention result from the subclaims below, from the drawing and from the associated description of the figures based on the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er läuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Kompo nenten beziehen. Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference numbers referring to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch: Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärme übertrager im Bereich eines ersten Rohrbodens mit einem zweiten Rohrboden zu Bildung eines Verteilers, They show, each schematically: 1 shows a sectional view through a heat exchanger according to the invention in the area of a first tube sheet with a second tube sheet to form a distributor,
Fig. 2 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch mit einem anderen zweitenFIG. 2 shows a representation as in FIG. 1 , but with a different second one
Rohrboden, tube sheet,
Fig. 3 eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen3 shows a further possible embodiment of a device according to the invention
Verteilers mit einem schrägen Verteiler, distributor with an inclined distributor,
Fig. 4 eine Darstellung wie in Fig. 3, jedoch mit einem mittig vertieftenFig. 4 shows a representation as in Fig. 3, but with a recessed center
Verteiler, distributor,
Fig. 5 eine Darstellung mit einem beidseitig angeordneten Verteiler, 5 shows a representation with a distributor arranged on both sides,
Fig. 6 eine Darstellung mit einem einseitig und stromauf des Wärme übertragers angeordneten rechenartigen Verteiler, 6 shows a representation with a rake-like distributor arranged on one side and upstream of the heat exchanger,
Fig. 7 bis 10 unterschiedliche Querschnittsformen durch ein Rohr eines erfin dungsgemäßen Wärmeübertragers. Fig. 7 to 10 different cross-sectional shapes through a tube of a heat exchanger according to the inventions to the invention.
Entsprechenden Fig.1 bis 6 weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 für ein Brennstoffzellensystem 2 eines Kraftfahrzeugs 3 einen oberen Sammelkasten 4 sowie einen nicht gezeigten unteren Sammelkasten auf, zwischen denen ste hende Rohre 5 angeordnet sind, die an ihrem oberen Ende dicht in zugehörigen Öffnungen 6, beispielsweise Durchzügen, eines ersten Rohrbodens 7 aufgenom men sind. Die Rohre 5 können dabei beispielsweise als Flachrohre ausgebildet sein und an einer Außenmantelfläche 8 zumindest einen Kanal 9 (vgl. insbeson dere auch die Fig. 7 bis 10) zur Wasserverteilung, insbesondere zur Verteilung von Berieselungswasser 11 , aufweisen. Unterhalb des ersten Rohrbodens 7 ist dabei ein Verteiler 10 vorgesehen, derfluidisch mit dem zumindest einen Kanal 9 des zumindest einen Rohres 5 verbunden ist und in dem Berieselungswasser 11 , beispielsweise als Verbrennungsprodukt einer Brennstoffzelle des Brennstoffzel lensystems 2 gesammelt und zur Steigerung der Kühlleistung während des Be triebs des Wärmeübertragers 1 über die zumindest eine Außenmantelfläche 8 zu mindest eines Rohres 5 abgegeben wird. Hierdurch kann das Berieselungswasser 11 (vgl. Fig. 4) auf der zumindest einen Außenmantelfläche 8 verdunsten, wobei die hierfür erforderliche Energie der Wärme eines in den Rohren 5 strömenden Kühlmittels entzogen und dadurch das Kühlmittel in den Rohren 5 besser gekühlt wird. Corresponding Fig.1 to 6, a heat exchanger 1 according to the invention for a fuel cell system 2 of a motor vehicle 3 has an upper header tank 4 and a lower header tank (not shown), between which ste existing tubes 5 are arranged, which at their upper end tightly in associated openings 6, for example drafts, a first tube sheet 7 are included men. The tubes 5 can be designed as flat tubes, for example, and have at least one channel 9 (cf. in particular also FIGS. 7 to 10) for water distribution, in particular for the distribution of sprinkler water 11, on an outer lateral surface 8. Below the first tube sheet 7 is a distributor 10 is provided, which is fluidically connected to the at least one channel 9 of the at least one pipe 5 and collected in the sprinkler water 11, for example as a combustion product of a fuel cell of the fuel cell system 2, and to increase the cooling capacity during operation of the heat exchanger 1 via the at least one outer lateral surface 8 is delivered to at least one tube 5 . This allows the sprinkling water 11 (see FIG. 4) to evaporate on the at least one outer surface 8, with the energy required for this being extracted from the heat of a coolant flowing in the tubes 5 and the coolant in the tubes 5 being cooled better as a result.
Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 lassen sich so eine bauraumopti mierte Bauweise und zugleich eine gesteigerte Kühlleistung erreichen, ohne dass hierfür beispielsweise eine Lüfterleistung erhöht werden müsste, was insbeson dere bei einem mit einer Brennstoffzelle angetriebenen Kraftfahrzeug 3 dazu füh ren würde, dass ein größerer beziehungsweise leistungsstärkerer Lüfter eingebaut werden müsste, der mehr elektrische Energie benötigt und dadurch die Reichweite des Kraftfahrzeugs 3 einschränkt. Zugleich kann bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 und dessen Anwendung in einem mit einem Brennstoffzellen system 2 ausgestatten Kraftfahrzeug 3 das in der Brennstoffzelle als Verbren nungsprodukt entstehende Wasser als Berieselungswasser 11 zur verbesserten Kühlung herangezogen werden. Eine separate Wassermitfuhr ist dadurch entbehr lich, wodurch das Kraftfahrzeug 3 leichter ausgebildet werden kann. With the heat exchanger 1 according to the invention, a design that is optimized in terms of installation space and at the same time an increased cooling capacity can be achieved without having to increase the fan output, for example, which would lead to a larger or more powerful motor vehicle 3 in particular in the case of a motor vehicle 3 powered by a fuel cell Fan would have to be installed, which requires more electrical energy and thereby the range of the motor vehicle 3 is limited. At the same time, in the heat exchanger 1 according to the invention and its use in a motor vehicle 3 equipped with a fuel cell system 2, the water produced as combustion product in the fuel cell can be used as sprinkler water 11 for improved cooling. A separate water transport is dispensable Lich, whereby the motor vehicle 3 can be made lighter.
Die Rohre 5 können dabei als Flachrohre ausgebildet sein, wobei zumindest ein Kanal 9 als Rinne oder als Sicke ausgebildet ist. Der zumindest eine Kanal 9 kann auch im Bereich eines Falzes 12 (vgl. Fig. 1) oder einer Schweißnaht angeordnet sein, sofern das Rohr 5 beispielsweise als gefalztes Rohr oder als Schweißrohr ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, den durch den Falz 12 ohnehin vorhan denen Querschnitt als Kanal 9 zu nutzen. Durch das über den Verteiler 10 über die zumindest eine Außenmantelfläche 8 des zumindest einen Rohres 9 verteilte Menge an Berieselungswasser 11 kann eine sowohl gleichmäßige Benetzung der Außenmantelfläche 8 aufgrund der vor zugsweise als Sicken beziehungsweise Rinnen ausgebildeten Kanäle 9 erfolgen und damit zugleich eine gleichmäßige Kühlung derselben durch das im Betrieb des Wärmeübertragers 1 verdunstenden Berieselungswasser 11. Selbstverständ lich kann sich dabei eine Querschnittsgeometrie des zumindest einen Kanals 9 fertigungsbedingt, insbesondere im Hinblick auf ein Fertigungsverfahren für das je weilige Rohr 5 ergeben, sodass der zumindest eine Kanal 9 beispielsweise im Wege eines Falzverfahrens, eines Schweißverfahrens oder Extrusionsverfahrens hergestellt wird. The tubes 5 can be in the form of flat tubes, with at least one channel 9 being in the form of a groove or a bead. The at least one channel 9 can also be arranged in the area of a fold 12 (cf. FIG. 1) or a weld seam if the pipe 5 is designed, for example, as a folded pipe or as a welded pipe. This makes it possible to use the IN ANY way through the fold 12 which cross section as a channel 9 . The amount of sprinkling water 11 distributed via the distributor 10 over the at least one outer lateral surface 8 of the at least one pipe 9 allows both a uniform wetting of the outer lateral surface 8 due to the channels 9, which are preferably designed as beads or channels, and thus at the same time a uniform cooling of the same the sprinkling water 11 evaporating during operation of the heat exchanger 1. Of course, a cross-sectional geometry of the at least one duct 9 can result from the production process, in particular with regard to a manufacturing process for the respective pipe 5, so that the at least one duct 9 can, for example, be formed by a folding process, a welding process or an extrusion process.
Die auf der Außenmantelseite 8 der Rohre 5 angebrachten Kanäle 9 bilden unter halb von Rippen 13 (vgl. die Fig. 1 und 7) Verbindungen beziehungsweise Durch gänge, welche einen Wassertransport von Rippenbogen zu Rippenbogen entlang einer Längsrichtung 14 der Rohre 5 ermöglichen. The channels 9 attached to the outer jacket side 8 of the tubes 5 form connections or passages below half of the ribs 13 (see FIGS. 1 and 7), which allow water to be transported from rib arch to rib arch along a longitudinal direction 14 of the tubes 5.
Selbstverständlich können dabei zu einer verbesserten Verteilung des Beriese lungswassers 11 auf der Außenmantelfläche 8 zumindest eines Rohres 5 nicht nur ein entsprechender Kanal 9 vorgesehen sein, sondern des weiteren auch Rippen 13 oder sonstige Vertiefungen beziehungsweise Erhebungen, die zum einen eine zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößern und zum an deren eine Lenkung des an den Rohren 5 ablaufenden Berieselungswassers 11 ermöglichen, wodurch eine verbesserte Verdunstung und dadurch eine verbes serte Kühlung erreicht werden können. Insbesondere soll eine möglichst gleichmä ßige Verteilung des Berieselungswassers 11 über die Rohrlänge und über alle Rohre 5 erfolgen. Betrachtet man nochmals den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 gemäß der Fig. 1, so ist bei diesem der Verteiler 10 als zweiter Rohrboden 17 ausgebildet, was den großen Vorteil bietet, dass prinzipiell keine aufwendige Änderung einer bisherigen Konstruktion erforderlich ist. Lediglich ein Anpassen der Außenmantel flächen 8 der Rohre 5 ist hierzu erforderlich. Einer Art doppelter Rohrboden in der Art eines zweites Rohrboden 17 ist auch bei der Ausführungsform des erfindungs gemäßen Wärmeübertragers 1 entsprechend der Fig. 2 dargestellt, wobei in die sen Fall der zweite Rohrboden 17 als dünnwandiges Blechteil ausgebildet ist, was einerseits eine stoffschlüssige Verbindung mit den Rohren 5 und dem ersten Rohrboden 7 ermöglicht, trotzdem jedoch im Vergleich zu dem Wärmeübertrager 1 gemäß der Fig. 1 einen für einen Luftstrom 18 zur Verfügung stehenden Quer schnitt weniger stark einschränkt und dadurch die zur Wärmeübertragung zur Ver fügung stehende Fläche im Vergleich zu dem Wärmeübertrager 1 gemäß der Fig. Of course, not only a corresponding channel 9 can be provided for an improved distribution of the sprinkling water 11 on the outer lateral surface 8 of at least one pipe 5, but also ribs 13 or other depressions or elevations, which on the one hand provide a surface available for heat transfer increase and allow for a steering of the running on the tubes 5 sprinkling water 11, whereby improved evaporation and thereby improved cooling can be achieved. In particular, the sprinkling water 11 should be distributed as evenly as possible over the length of the pipe and over all the pipes 5 . If one looks again at the heat exchanger 1 according to the invention as shown in FIG. 1, the distributor 10 is designed as a second tube plate 17, which offers the great advantage that, in principle, no complex changes to a previous construction are required. Only an adjustment of the outer shell surfaces 8 of the tubes 5 is required for this. A type of double tube plate in the manner of a second tube plate 17 is also shown in the embodiment of the heat exchanger 1 according to the invention according to Fig. 2, in which case the second tube plate 17 is designed as a thin-walled sheet metal part, which on the one hand creates a material connection with the Tubes 5 and the first tube plate 7, but nevertheless, compared to the heat exchanger 1 according to FIG 1 according to Fig.
1 vergrößert. 1 enlarged.
Bei dem Verteiler 10 gemäß der Fig. 3 weist dieser einen schrägen Boden 19 auf, wodurch das jeweils zugehörige Rohr 5 in Durchströmungsrichtung 20 unter schiedlich stark mit Berieselungswasser 11 beaufschlagt werden kann. Das ge mäß der Fig. 3 dargestellte Rohr 5 besitzt zumindest zwei sich über die Längsrich tung 14 erstreckende Kanäle 9, wobei der in Fahrtrichtung vordere und in Durch strömungsrichtung 20 hintere Kanal 9 mehr Berieselungswasser 11 führt. In the distributor 10 according to FIG. 3, this has a sloping bottom 19, whereby the respectively associated pipe 5 can be subjected to varying degrees of sprinkler water 11 in the direction of flow 20. The ge according to FIG. 3 shown tube 5 has at least two extending over the longitudinal direction by 14 channels 9, wherein the front in the direction of travel and rear in flow direction 20 through channel 9 more sprinkler water 11 leads.
Der Wärmeübertrager 1 gemäß der Fig. 4 besitzt einen Verteiler 10 mit einem ab gewinkelten Boden 19, der an seinem Tiefpunkt mit dem Kanal 9 fluidleitend ver bunden ist und über diesen Berieselungswasser 11 auf die Außenmantelfläche 8 des als Flachrohr ausgebildeten Rohres 5 ableitet. The heat exchanger 1 according to FIG. 4 has a distributor 10 with an angled bottom 19 which is fluidly connected at its lowest point to the channel 9 and via this sprinkling water 11 derives on the outer lateral surface 8 of the tube 5 designed as a flat tube.
Gemäß der Fig. 5 ist ein zweiteiliger Verteiler 10 dargestellt, der in Fahrtrichtung vor und hinter den Rohren 5 angeordnet ist. Ziel der Verteilervarianten ist, dass das Wasser aus dem Verteiler 10 möglichst vollständig in die Kanäle 9 und daraus dann über den Wärmeübertrager 1 verteilt wird, insbesondere soll auch möglichst unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit eine gleichmäßige Verteilung erreicht werden. According to FIG. 5, a two-part distributor 10 is shown, which is arranged in front of and behind the tubes 5 in the direction of travel. The aim of the distributor variants is that the water from the distributor 10 as completely as possible in the channels 9 and from it is then distributed over the heat exchanger 1, in particular a uniform distribution should also be achieved as independently as possible of the driving speed.
Die Idee bei der zweiteiligen Variante ist, dass die beiden Teile des Verteilers 10 mit sich in Durchströmungsrichtung 20 erstreckenden Rippen 24 am Rohr 5 einen Raum 23 für die Wasserverteilung bilden und das Berieselungswasser 11 aus die sem Raum 23 in die Kanäle 9 und von dort in Rohrlängsrichtung 14 über die Rohre 5 strömt. Die Rippen 24 laufen quer zum Kanal 9 und können sich über die komplette Breitseite 15 der Rohre 5 erstrecken. Ein Rippenbogen ist dabei eine Rundung einer wellenförmigen Rippe 24, das heißt der Teil der Rippe 24, der mit dem Rohr 5 verlötet wird. Wenn die Außenfläche des Rohrs 5 eben ist, und die Rippenbogen ebenfalls eben sind, bzw. keine Unterbrechungen ausweisen, wird eine über die ganze Kühlertiefe durchgängige Verlötung erreicht. Eine Wasserver teilung entlang der Rohre 5, das heißt in deren Längsrichtung, wäre dann nicht möglich. Mit dem Kanal 9 „unterhalb“ von Rippenbögen kann eine Öffnung zwi schen Verteiler 10 und Breitseite 15 des Rohres 5 erreicht werden, wodurch das Berieselungswasser 11 ungestört von den jeweiligen Rippen 24 bzw. Rippenbö gen in Rohrlängsrichtung entlang verteilt werden kann und idealerweise an jeder Rippe 24 ein kleiner Teil des Berieselungswassers 11 aus dem Kanal 9 austritt und über die Rohre 5 bzw. deren Breitseite 15a, 15b verteilt wird und damit zur Steigerung des Wärmeübertrags beiträgt. The idea behind the two-part variant is that the two parts of the distributor 10 with ribs 24 on the pipe 5 that extend in the direction of flow 20 form a space 23 for water distribution and the sprinkler water 11 from this space 23 into the channels 9 and from there into Tube longitudinal direction 14 flows over the tubes 5. The ribs 24 run transversely to the channel 9 and can extend over the entire broad side 15 of the tubes 5. A rib curve is a rounding of a wave-shaped rib 24, that is to say the part of the rib 24 which is soldered to the tube 5. If the outer surface of the tube 5 is flat and the rib bends are also flat or have no interruptions, a continuous soldering is achieved over the entire depth of the cooler. A Wasserver distribution along the tubes 5, that is, in the longitudinal direction would not be possible. With the channel 9 “below” the rib curves, an opening can be achieved between the distributor 10 and the broad side 15 of the pipe 5, whereby the sprinkler water 11 can be distributed undisturbed from the respective ribs 24 or rib curves in the longitudinal direction of the pipe and ideally at each rib 24 a small part of the sprinkling water 11 emerges from the channel 9 and is distributed over the pipes 5 or their broad sides 15a, 15b and thus contributes to increasing the heat transfer.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Verteiler auch nur einseitig vor oder hin ter den Rohren 5 angebracht sein. Zusätzlich kann auf der Gegenseite eine Abde ckung vorgesehen sein, um den Austritt des Berieselungswassers 11 zu vermei den. In a further embodiment, the distributor can also be mounted on one side in front of or behind the tubes 5 . In addition, a cover can be provided on the opposite side in order to prevent the sprinkling water 11 from escaping.
Zusätzlich zu den im Rohr 5 angebrachten Kanälen 9 kann an der Rippe 24 (im Rippenbogen bzw. Radius) eine Umformung vorgenommen werden, die für einen Durchgang / Öffnung sorgt, durch die Berieselungswasser 11 von Rippenbogen zu Rippenbogen geleitet werden kann und damit ebenfalls eine Verteilung des Berie selungswassers 11 entlang der Längsrichtung 14 der Rohre 5 ermöglicht wird. Diese Aussparung kann entweder als Ausschnitt (stanzend / schneidend herge stellt) oder einfach nur durch Zurückprägen des entsprechenden Teils des Rippen bogens erfolgen. Die Einprägung kann während dem Walzprozess der Rippe 24 oder auch im Nachgang, vor dem Einbau der Rippe 24 in das Rohr 5 / Rippenpa ket (Kühlernetz) erfolgen. Um die Leistungsfähigkeit der Rippe 24 zu erhalten bzw. eine Deformation der Kiemen in der Rippe 24 im Bereich dieser Umformung zu verhindern, muss bzw. kann das Kiemenfeld im Nahbereich dieser Umformung ggf. angepasst / für diese Umformung optimiert werden. Die Form der Aussparung / Einprägung kann V-förmig, trapezförmig, oder (kreis)bogenförmig sein. Durch insbesondere eingeprägte Rippen 24 kann die Wasserverteilung verbessert wer den, insbesondere können dadurch die Kanäle 9 die an den Breitseiten 15a, 15b angeordnet sind, erweitert werden - bzw. dadurch die an beispielsweise Schweiß rohren schon vorhandenen kleineren Kanäle soweit erweitert werden, dass diese in Kombination mit einer solchen Rippe 24 ausreichend große Querschnitte auf weisen, um die Wasserverteilung zu ermöglichen In addition to the channels 9 fitted in the tube 5, a reshaping can be carried out on the rib 24 (in the costal arch or radius), which is for one Passage/opening ensures through which sprinkling water 11 can be passed from rib cage to rib cage and thus also distribution of the irrigation water 11 along the longitudinal direction 14 of the tubes 5 is made possible. This recess can be made either as a cutout (by punching/cutting) or simply by embossing back the corresponding part of the rib arch. The embossing can take place during the rolling process of the rib 24 or afterwards, before the rib 24 is installed in the tube 5/rib package (radiator network). In order to maintain the performance of the rib 24 or to prevent a deformation of the gills in the rib 24 in the area of this reshaping, the gill field in the vicinity of this reshaping must or can be adjusted/optimized for this reshaping if necessary. The shape of the recess/embossing can be V-shaped, trapezoidal, or (circular) arc-shaped. The water distribution can be improved by embossed ribs 24 in particular, in particular the channels 9 arranged on the broad sides 15a, 15b can be expanded - or the smaller channels already present on welding pipes, for example, can be expanded to such an extent that they can be Combination with such a rib 24 have sufficiently large cross sections to allow water distribution
Gemäß der Fig. 6 wiederum ist ein Verteiler 10 gezeigt, der in der Art eines Re chens ausgebildet ist und mit Rechenzinken 21 in Zwischenräume zwischen zwei benachbarte Flachrohre eingreift, wobei an den Rechenzinken 21 Auslassöffnun gen 22, beispielsweise auch Düsen, für Berieselungswasser 11 angeordnet sind. Je nach Fahrgeschwindigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs 3 erfolgt dabei eine mehr oder weniger großflä chige Verteilung des Berieselungswassers 11 über die Außenmantelfläche 8. 6 in turn shows a distributor 10 which is designed in the manner of a rake and engages with rake tines 21 in spaces between two adjacent flat tubes, outlet openings 22, for example also nozzles, for sprinkling water 11 being arranged on the rake tines 21 are. Depending on the driving speed of the motor vehicle 3 equipped with the heat exchanger 1 according to the invention, the sprinkling water 11 is distributed more or less over a large area over the outer lateral surface 8.
Die zweiteilige Variante mit beidseitigem oder einseitigem Verteiler, bzw. dem Re chen sind Ausführungsformen, die sich evtl nachrüsten lassen oder ohne eine grundlegende Änderung des Herstellprozesses als Add-On am Ende der bisheri gen Fertigungslinie ergänzen lassen können. Die Ausführungsform mit dem Re chen ist ähnlich der skizzierten mit dem zweiteiligen Verteiler 10, nur, dass hier der Raum für die Wasserverteilung nicht ganz genau definiert ist. The two-piece variant with a two-sided or one-sided distributor, or the rake are embodiments that can be retrofitted or without one fundamental change in the manufacturing process as an add-on at the end of the previous production line. The embodiment with the rake is similar to that sketched with the two-part distributor 10, only that here the space for the water distribution is not exactly defined.
Der Verteiler 10 kann dabei prinzipiell separat zum Wärmeübertrager 1 ausgebil det sein, wie dies beispielsweise gemäß der Fig. 6 dargestellt ist, oder aber einen Bestandteil des Wärmeübertragers bilden, wie dies gemäß den Fig. 1 bis 4 darge stellt ist, wobei in letzteren Fall der Verteiler 10 zumindest bereichsweise stoff schlüssig mit dem Wärmeübertrager 1, beispielsweise mit dessen erstem Rohrbo den 7 verbunden, insbesondere verlötet, ist. The distributor 10 can in principle be designed separately from the heat exchanger 1, as shown for example in FIG. 6, or form part of the heat exchanger, as shown in FIGS the distributor 10 is at least partially cohesively connected to the heat exchanger 1, for example with its first tubular surface 7, in particular soldered.
Betrachtet man die einzelnen möglichen Querschnittsformen der Rohre 5 (vgl. die Fig. 7 bis 10), die keineswegs abschließend sind, so kann man gemäß der Fig. 7 einen Querschnitt eines Rohres 5 erkennen, bei dem der Kanal 9 ausschließlich auf einer Breitseite 15a angeordnet ist, wobei in diesen Fall ein Kanalgrund 16 die gegenüberliegende Breitseite 15b nicht berührt. Auf beiden Breitseiten 15a, 15b können jedoch Rippen 13 oder Sicken vorgesehen sein. Betrachtet man den Querschnitt des Rohres 5 gemäß der Fig. 8 so kann man dort zwei Kanäle 9 er kennen, die ebenfalls ausschließlich auf der Breitseite 15a angeordnet sind, deren Kanalgrund 16 jedoch die gegenüberliegenden Breitseite 15b berührt und bei spielsweise sogar mit dieser stoffschlüssig verbunden ist, wodurch das als Flach rohr ausgebildete Rohr 5 in Längsrichtung 14, das heißt gemäß den Fig. 7 bis 10 orthogonal zur Blattebene, in mehrere Kammern aufgeteilt ist. If one considers the individual possible cross-sectional shapes of the tubes 5 (cf. FIGS. 7 to 10), which are by no means exhaustive, one can see a cross section of a tube 5 according to FIG is arranged, in which case a channel base 16 does not touch the opposite broadside 15b. However, ribs 13 or beads can be provided on both broad sides 15a, 15b. If you look at the cross section of the tube 5 according to FIG. 8, you can see two channels 9 there, which are also arranged exclusively on the broad side 15a, the channel base 16 of which, however, touches the opposite broad side 15b and, for example, is even bonded to it , whereby the tube 5 designed as a flat tube is divided into several chambers in the longitudinal direction 14, that is, according to FIGS. 7 to 10 orthogonally to the plane of the sheet.
Betrachtet man die Querschnittsform des Rohres 5 gemäß der Fig. 9 als weiteres Ausführungsbeispiel, so kann man erkennen, dass bei diesem auf beiden Breitsei ten 15a und 15b Kanäle 9 vorgesehen sind, die sich im Kanalgrund 16 mit dem gegenüberliegenden Kanalgrund 16 oder auch der Breitseite 15a, 15b berühren oder auch nicht berühren können. Im Beispiel berühren sie sich mit ihrem jeweili gen Kanalgrund 16 beim linken Kanal 9 nicht, jedoch beim rechten Kanal 9. If one considers the cross-sectional shape of the tube 5 according to FIG. 9 as a further exemplary embodiment, one can see that channels 9 are provided on both broadsides 15a and 15b, which are in the channel base 16 with the opposite channel base 16 or also the broadside touch 15a, 15b or not able to touch. In the example, they do not touch with their respective channel base 16 on the left channel 9, but on the right channel 9.
Eine Querschnittsform der Kanäle 9 gemäß den Fig. 7 bis 8 ist dabei ausgerundet ausgebildet, wobei selbstverständlich abweichend davon auch im Querschnitt rechteckige Kanäle 9 (vgl. Fig. 10b und 10c) oder trapezförmige Kanäle 9 (vgl. Fig. 10a) oder nicht gezeigte dreiecksförmige, halbrunde, ovalsegmentförmige Kanäle 9 vorgesehen werden können. Durch eine Breite des jeweiligen Kanals 9 bezie hungsweise eine Tiefe des Kanalgrundes 16 lässt sich sowohl eine Führung des Berieselungswassers 11 entlang der Längsrichtung 14 des jeweiligen Rohres 5 als auch eine Verteilung desselben und damit eine Verdunstung desselben und indi rekt damit wiederum eine Kühlleistung des Wärmeübertragers 1 beeinflussen. A cross-sectional shape of the ducts 9 according to FIGS. 7 to 8 is rounded, although, of course, ducts 9 with a rectangular cross section (cf. FIGS. 10b and 10c) or trapezoidal ducts 9 (cf. FIG. 10a) or those not shown can also be used triangular, semicircular, oval segment-shaped channels 9 can be provided. The width of the respective channel 9 or the depth of the channel bottom 16 allows the irrigation water 11 to be routed along the longitudinal direction 14 of the respective pipe 5 as well as to distribute it and thus evaporate it and thus indirectly in turn improve the cooling capacity of the heat exchanger 1 influence.
Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 für ein Brennstoffzellensystem 2 ist bei gleich großem Wärmeübertrager eine deutlich erhöhte Kühlleistung mög lich, wobei insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem 2 zugleich noch das als Verbrennungsprodukt anfallende Wasser als Berieselungswasser 11 verwen det werden kann. Hierdurch lässt sich eine deutlich verbesserte Kühlung und da mit Temperierung des mit einem derartigen Brennstoffzellensystem 2 ausgestatte ten Kraftfahrzeugs 3 erreichen. With the heat exchanger 1 according to the invention for a fuel cell system 2, a significantly increased cooling capacity is possible, please include the same size heat exchanger, with the water occurring as a combustion product being able to be used as sprinkling water 11 at the same time, particularly in a fuel cell system 2. As a result, significantly improved cooling and thus temperature control of the motor vehicle 3 equipped with such a fuel cell system 2 can be achieved.
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Claims

Patentansprüche patent claims
1. Wärmeübertrager (1) für ein Brennstoffzellensystem (2) mit einem oberen Sam melkasten (4) und einem unteren Sammelkasten, zwischen denen stehende Rohre (5) angeordnet sind, die an ihrem oberen Ende dicht in zugehörigen Öffnun gen (6) eines ersten Rohrbodens (7) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, 1. Heat exchanger (1) for a fuel cell system (2) with an upper Sam melkasten (4) and a lower header tank, between which upright tubes (5) are arranged, which at its upper end closely in associated Openin gene (6) of a first tube sheet (7) are accommodated, characterized in that
- dass an einer Außenmantelfläche (8) zumindest eines Rohres (5) zumindest ein Kanal (9) zur Verteilung von Berieselungswasser (11) vorgesehen ist, - that at least one channel (9) for the distribution of sprinkling water (11) is provided on an outer lateral surface (8) of at least one pipe (5),
- dass unterhalb des ersten Rohrbodens (7) ein Verteiler (10) vorgesehen ist, der fluidisch mit dem zumindest einen Kanal (9) des zumindest einen Rohres (5) verbunden ist. - that below the first tube plate (7) a distributor (10) is provided which is fluidically connected to the at least one channel (9) of the at least one tube (5).
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (5) als Flachrohre ausgebildet sind, wobei der zumindest eine Ka nal (9) als Rinne oder Sicke ausgebildet ist. 2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the tubes (5) are designed as flat tubes, wherein the at least one channel (9) is designed as a channel or bead.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (9) ausschließlich auf einer Breitseite (15a) zumindest eines Flach rohrs angeordnet ist, wobei ein Kanalgrund (16) eine gegenüberliegende Breitseite (15b) berührt. 3. Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the channel (9) is arranged exclusively on a broad side (15a) of at least one flat tube, with a channel base (16) touching an opposite broad side (15b).
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Breitseiten (15a, 15b) zumindest eines Rohrs (5) jeweils zumin dest ein Kanal (9) angeordnet ist, die sich mit ihrem jeweiligen Kanalgrund (16) berühren. 4. The heat exchanger as claimed in claim 2, characterized in that at least one channel (9) is arranged on both broad sides (15a, 15b) of at least one tube (5) and touches each other with their respective channel base (16).
5. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kanal (9) einen dreieckförmigen, einen ovalsegmentförmigen, einen trapezförmigen oder einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweist. 5. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that at least one channel (9) has a triangular, an oval segment-shaped, a trapezoidal or a circular segment-shaped cross-section.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (10) als zweiter Rohrboden (17) ausgebildet ist, der mit dem ersten Rohrboden (7) einen Sammelraum für Berieselungswasser (11) bildet. 6. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the distributor (10) is designed as a second tube plate (17) which forms a collecting space for sprinkling water (11) with the first tube plate (7).
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (10) separat zum ersten Rohrboden (7) ausgebildet und unter halb desselben angeordnet ist. 7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distributor (10) is formed separately from the first tube plate (7) and is arranged under half of the same.
8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (10) separat zum ersten Rohrboden (7) ausgebildet und in Durchströmungsrichtung (20) vor oder hinter den Rohren (5) angeordnet ist. 8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distributor (10) is formed separately from the first tube sheet (7) and is arranged in the flow direction (20) in front of or behind the tubes (5).
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (10) in der Art eines Rechens ausgebildet ist und mit Rechen zinken (21) zwischen die einzelnen Rohre (5) greift, wobei an den Rechenzinken (21 ) Auslassöffnungen (22) für Berieselungswasser (11 ) angeordnet sind. 9. Heat exchanger according to claim 8, characterized in that the distributor (10) is designed in the manner of a rake and with rake tines (21) engages between the individual tubes (5), outlet openings (22) being provided on the rake tines (21). for sprinkling water (11) are arranged.
10. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (10) zumindest bereichsweise stoffschlüssig mit dem Wärme übertrager (1 ) verbunden ist. 10. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that that the distributor (10) is at least partially bonded to the heat exchanger (1).
11 . Brennstoffzellensystem (2) mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem diese temperierenden Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei das Berieselungswasser (11 ) ein Verbrennungsprodukt der Brenn stoffzelle ist. 11 . Fuel cell system (2) with at least one fuel cell and a temperature-controlling heat exchanger (1) according to one of the preceding claims, wherein the sprinkling water (11) is a combustion product of the fuel cell.
12. Kraftfahrzeug (3) mit einem Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 11. 12. Motor vehicle (3) with a fuel cell system (2) according to claim 11.
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2358631A1 (en) 1973-11-24 1975-06-05 Wilhelm Dr Ing Schirp Air-conditioning apparatus vehicles - is slipstream and water cooling mist from unit mounted externally on vehicle roof
DE19637926A1 (en) 1996-09-17 1998-03-19 Xaver Hirsch Radiator for IC engine, with enhanced cooling effect
US20020184901A1 (en) * 2001-06-08 2002-12-12 Nissan Motor Co., Ltd. Vehicular cooling system and related method
US6852435B2 (en) * 2002-07-23 2005-02-08 Deere & Company Fuel cell cooling system
DE102008051368A1 (en) 2008-10-15 2010-04-22 Tino Cabero cooling system
DE112007001422B4 (en) 2006-06-13 2012-09-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha cooler
DE102017209735A1 (en) * 2017-06-09 2018-12-13 Audi Ag Apparatus and method for cooling a radiator
US10882392B2 (en) * 2018-07-04 2021-01-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004036020A1 (en) 2004-07-23 2006-02-16 Behr Gmbh & Co. Kg Heat exchanger, in particular condenser
WO2013061170A1 (en) 2011-10-24 2013-05-02 Tata Motors Limited An air humidification system of a fuel cell stack and method thereof

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2358631A1 (en) 1973-11-24 1975-06-05 Wilhelm Dr Ing Schirp Air-conditioning apparatus vehicles - is slipstream and water cooling mist from unit mounted externally on vehicle roof
DE19637926A1 (en) 1996-09-17 1998-03-19 Xaver Hirsch Radiator for IC engine, with enhanced cooling effect
US20020184901A1 (en) * 2001-06-08 2002-12-12 Nissan Motor Co., Ltd. Vehicular cooling system and related method
US6852435B2 (en) * 2002-07-23 2005-02-08 Deere & Company Fuel cell cooling system
DE112007001422B4 (en) 2006-06-13 2012-09-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha cooler
DE102008051368A1 (en) 2008-10-15 2010-04-22 Tino Cabero cooling system
DE102017209735A1 (en) * 2017-06-09 2018-12-13 Audi Ag Apparatus and method for cooling a radiator
US10882392B2 (en) * 2018-07-04 2021-01-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

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