DE102015204983A1

DE102015204983A1 - Heat exchanger, in particular for a motor vehicle

Info

Publication number: DE102015204983A1
Application number: DE102015204983.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Fetzer; Wilhelm Grauer; Boris Kerler; Marco Renz; Volker Velte
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-09-22
Also published as: WO2016146294A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1), insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, – mit einer Mehrzahl von Fluidpfaden (2) zum Durchströmen mit einem Fluid, wobei jeder Fluidpfad (2) wenigstens teilweise von einem Rohrkörper (3) begrenzt ist, wobei die Rohrkörper (3) sich entlang einer Rohrerstreckungsrichtung (E) erstrecken und entlang einer Stapelrichtung (S) stapelartig aufeinander angeordnet sind, – wobei durch einen Zwischenraum (6), welcher zwischen zwei in Stapelrichtung (S) benachbarten Rohrkörpern (3) vorhanden ist, jeweils ein Gaspfad (7) zum Durchströmen mit einem Gas entlang einer Gasdurchströmungsrichtung (G) ausgebildet ist, – wobei in den Fluidpfaden (2) jeweils benachbart zueinander eine Mehrzahl von Trennelementen (4) angeordnet ist, welche jeden Fluidpfad (2) in eine Mehrzahl von Fluidkanälen (5) unterteilen, die sich jeweils entlang einer Fluid-Durchströmungsrichtung (F) erstrecken, – wobei die Fluid-Durchströmungsrichtung (F) orthogonal zur Rohrkörper-Erstreckungsrichtung (E) verläuft.The invention relates to a heat exchanger (1), in particular for a waste heat utilization device, having a plurality of fluid paths (2) for flowing through a fluid, each fluid path (2) being at least partially bounded by a tubular body (3), the tubular bodies ( 3) extend along a tube extension direction (E) and are stacked along a stacking direction (S), - wherein in each case a gas path through an intermediate space (6) which is present between two in the stacking direction (S) adjacent tubular bodies (3) (7) is designed to flow through it with a gas along a gas flow direction (G), wherein a plurality of separating elements (4) are arranged in each of the fluid paths (2) adjacent to one another, which separates each fluid path (2) into a plurality of fluid channels (2). 5), each extending along a fluid flow direction (F), - wherein the fluid flow direction (F) orth ogonal to the tubular body extending direction (E) runs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für eine Abwärmenutzungseinrichtung, sowie eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem solchen Wärmetauscher.The present invention relates to a heat exchanger, in particular for a waste heat utilization device, and a waste heat utilization device with such a heat exchanger.

Als Wärmetauscher oder Wärmeübertrager wird gemeinhin eine Vorrichtung bezeichnet, die Wärme von einem Stoffstrom auf einen anderen Stoffstrom überträgt. Wärmetauscher kommen beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz, um in einer mit der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zusammenwirkenden Frischluftanlage die mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Frischluft zu kühlen. Hierzu wird die zu kühlende Frischluft, also ein Gas, in den Wärmetauscher eingeleitet, wo sie thermisch mit einem Fluid in Form eines ebenfalls in den Wärmetauscher eingebrachten Kühlmittels wechselwirkt und auf diese Weise Wärme an das Kühlmittel abgibt. Derartige Wärmetauscher werden als Ladeluftkühler bezeichnet. Umgekehrt können Wärmetauscher aber auch dazu verwendet werden, ein flüssiges Kühlmittel mittels eines Gases zu kühlen. Solche Wärmetauscher werden als Kühlmittelkühler bezeichnet.As a heat exchanger or heat exchanger is commonly referred to a device that transfers heat from one stream to another stream. Heat exchangers are used, for example, in motor vehicles to cool the fresh air charged by means of an exhaust-gas turbocharger in a fresh-air system interacting with the internal combustion engine of the motor vehicle. For this purpose, the fresh air to be cooled, ie a gas, is introduced into the heat exchanger, where it thermally interacts with a fluid in the form of a likewise introduced into the heat exchanger coolant and emits heat in this way to the coolant. Such heat exchangers are referred to as charge air cooler. Conversely, however, heat exchangers can also be used to cool a liquid coolant by means of a gas. Such heat exchangers are referred to as coolant coolers.

Ein derartiger Wärmetauscher kann beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgestaltet sein und mehrere Rohrkörper aufweisen, die typischerweise in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt sind, wobei zwischen den Platten eines Rohrkörpers ein Kühlmittelpfad ausgebildet wird, durch den das Kühlmittel geführt wird. In einem zwischen zwei benachbarten Rohrkörpern ausgebildeten Zwischenraum kann fluidisch getrennt zum Kühlmittel das zu kühlende Medium, etwa die in einem Abgasturbolader aufgeladene Frischluft, geführt werden, so dass das Kühlmittel durch die Rohrkörper hindurch in thermische Wechselwirkung mit der zu kühlenden Frischluft gesetzt werden kann. Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs können zwischen benachbarten Rohrkörpern zusätzlich Rippenstrukturen vorgesehen werden, welche die für die thermische Wechselwirkung zur Verfügung stehende Wechselwirkungsfläche der Rohrkörper erhöhen. Derartige Konstruktionen sind dem Fachmann als sogenannte „Rippe-Rohr-Wärmetauscher“ geläufig.Such a heat exchanger may for example be designed as a plate heat exchanger and having a plurality of tubular bodies, which are typically stacked in a stacking direction, wherein between the plates of a tubular body, a coolant path is formed through which the coolant is passed. In a gap formed between two adjacent tubular bodies, the medium to be cooled, such as the fresh air charged in an exhaust gas turbocharger, can be fluidically separated from the coolant, so that the coolant can be thermally interacting with the fresh air to be cooled through the tubular bodies. In order to improve the heat exchange, additional rib structures can be provided between adjacent tubular bodies which increase the interaction area of the tubular bodies available for the thermal interaction. Such constructions are familiar to those skilled in the art as so-called "fin-tube heat exchangers".

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmetauschern mit verbesserter Effizienz, insbesondere für Kraftfahrzeuge, neue Wege aufzuzeigen.It is an object of the present invention to discover new ways of developing heat exchangers with improved efficiency, especially for motor vehicles.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by a heat exchanger according to independent claim 1. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Grundgedanke der Erfindung ist demnach, den Wärmetauscher im Gegenstromprinzip zu realisieren, derart, dass eine Gas-Durchströmungsrichtung für das durch den Wärmetauscher geführte Gas im Wesentlichen entgegengesetzt, also unter einem 180° Winkel, zu einer Fluid-Durchströmungsrichtung des durch den Wärmetauscher geführten Fluids erläuft. Unter „Gas-Durchströmungsrichtung“ wird dabei diejenige Richtung verstanden, entlang welcher das Gas durch den Wärmetauscher strömt, während es mit dem Fluid in thermische Wechselwirkung tritt. Es versteht sich, dass ein Teil des durch den Wärmetauscher strömenden Gases abschnittsweise auch in eine Richtung strömen kann, die von der Gas-Durchströmungsrichtung abweicht. Dies kann etwa der Fall sein, wenn sich im Gasstrom Strömungswirbel ausbilden. Bei der Gas-Durchströmungsrichtung handelt es sich also um eine Hauptströmungsrichtung des durch den Wärmetauscher strömenden Gases, die lokal variieren kann. Gleiches gilt mutatis mutandis für das den Wärmetauscher durchströmende Fluid und dessen Fluid-Durchströmungrichtung. Das hier vorgeschlagene, erfindungswesentliche Prinzip kann sowohl in einem als Ladeluftkühler realisierten Wärmetaucher als auch in einem als Kühlmittelkühler realisierten Wärmetaucher angewandt werden.The basic idea of the invention is thus to realize the heat exchanger in countercurrent principle, such that a gas flow direction for the guided through the heat exchanger gas substantially opposite, ie at an angle 180 °, runs to a fluid flow direction of the guided through the heat exchanger fluid , The term "gas through-flow direction" is understood to mean the direction along which the gas flows through the heat exchanger, while it interacts thermally with the fluid. It is understood that a portion of the gas flowing through the heat exchanger can flow in sections also in a direction which deviates from the gas flow direction. This may be the case, for example, when flow vortices form in the gas flow. The gas flow direction is therefore a main flow direction of the gas flowing through the heat exchanger, which can vary locally. The same applies mutatis mutandis for the fluid flowing through the heat exchanger and its fluid flow direction. The principle proposed here according to the invention can be applied both in a heat exchanger realized as a charge air cooler and in a heat exchanger realized as a coolant cooler.

Für die konstruktive Realisierung des erfindungswesentlichen Gegenstrom-Prinzips umfasst ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eine Mehrzahl von Fluidpfaden zum Durchströmen mit einem Fluid. Jeder Fluidpfad ist wenigstens teilweise von einem Rohrkörper begrenzt. Die Rohrkörper erstrecken sich jeweils entlang einer Rohrkörper-Erstreckungsrichtung und sind entlang einer Stapelrichtung stapelartig aufeinander angeordnet. In den die Fluidpfade ausbildenden Rohrkörpern sind jeweils wenigstens zwei Trennelemente angeordnet, welche den betreffenden Fluidpfad in eine entsprechende Anzahl an Fluidkanälen unterteilt. Sind zwei Trennelemente vorhanden, so entstehen drei Fluidkanäle, bei drei Trennelementen werden vier Fluidkanäle gebildet usw. Die Fluidkanäle erstrecken sich entlang der bereits erläuterten Fluid-Durchströmungsrichtung. For the constructive realization of the inventive countercurrent principle, a heat exchanger according to the invention comprises a plurality of fluid paths for flowing through with a fluid. Each fluid path is at least partially bounded by a tubular body. The tubular bodies each extend along a tubular body extension direction and are stacked along a stacking direction. In the tubular bodies forming the fluid paths, in each case at least two separating elements are arranged, which subdivide the relevant fluid path into a corresponding number of fluid channels. If two separating elements are present, three fluid channels are formed, with three separating elements, four fluid channels are formed, etc. The fluid channels extend along the fluid flow direction already explained.

Zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten Rohrkörpern ist jeweils ein Zwischenraum ausgebildet. Durch jeden solchen Zwischenraum ist jeweils ein Gaspfad zum Durchströmen mit dem Gas entlang einer Gas-Durchströmungsrichtung ausgebildet. Between two tubular bodies adjacent in the stacking direction, a gap is formed in each case. Through each such space, a gas path for flowing with the gas along a gas flow direction is formed in each case.

Für die erfindungsgemäße Realisierung des Gegenstromprinzips von Gas und Fluid muss die Fluid-Durchströmungsrichtung entgegengesetzt zur Gas-Durchströmungsrichtung verlaufen. Dies wird beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher erreicht, indem die Trennelemente, die entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung angeordnet sind, orthogonal zur Rohrkörper-Erstreckungsrichtung angeordnet sind. Im Ergebnis verläuft die Gas-Durchströmungsrichtung wie gewünscht entgegengesetzt zur Fluid-Durchströmungsrichtung des durch die Fluidkanäle strömenden Fluids. Dies gilt insbesondere für denjenigen Bereich der Gas- bzw. Fluidpfade, in welchem die thermische Wechselwirkung zwischen Gas und Fluid stattfindet. In den für die Praxis relevantesten Fällen dient der Wärmetauscher dazu, das durch die Gaspfade strömende Gas durch Wärmeaustausch mit dem Fluid zu kühlen oder umgekehrt das Fluid mittels des Gases zu kühlen. Mittels des Gegenstromprinzips wird erreicht, dass immer ein Temperaturgefälle zwischen Gas und Fluid besteht. Somit ist sichergestellt, dass über die gesamten Gas- bzw. Fluidpfade hinweg ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Fluid stattfindet. Dies führt im Ergebnis zu einer verbesserten Effizienz des Wärmetauschers.For the realization according to the invention of the countercurrent principle of gas and fluid, the fluid throughflow direction has to run opposite to the gas throughflow direction. This is achieved in the heat exchanger according to the invention by the separating elements, which are arranged along the fluid flow direction, are arranged orthogonal to the tubular body extension direction. As a result, the gas flow direction is as desired opposite to the fluid flow direction. Direction of flow of the fluid flowing through the fluid channels. This applies in particular to that region of the gas or fluid paths in which the thermal interaction between gas and fluid takes place. In the most practical cases, the heat exchanger serves to cool the gas flowing through the gas paths by heat exchange with the fluid, or conversely to cool the fluid by means of the gas. By means of the countercurrent principle it is achieved that there is always a temperature gradient between gas and fluid. This ensures that heat exchange between the gas and the fluid takes place over the entire gas or fluid paths. As a result, this leads to an improved efficiency of the heat exchanger.

Vorzugsweise sind die Zwischenräume zum Ein- und Ausleiten des Gases an entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers offen ausgebildet. In dieser Variante verläuft die Gas-Durchströmungsrichtung somit zwischen den beiden gegenüberliegenden Öffnungen entgegengesetzt zur Fluid-Durchströmungsrichtung. Preferably, the spaces for introducing and discharging the gas are formed open at opposite ends of the heat exchanger along the fluid flow direction. In this variant, the gas flow direction thus extends between the two opposite openings opposite to the fluid flow direction.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in jedem einen Gaspfad ausbildenden Zwischenraum eine Rippenstruktur vorhanden. An dieser Rippenstruktur stützen sich in Stapelrichtung benachbarte Rohrkörper ab. Mittels der Rippenstrukturen kann die effektive Fläche der Rohrkörper, die für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht, vergrößert werden. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Effizienz des Wärmetauschers.In a preferred embodiment, there is a fin structure in each gap forming a gas path. At this rib structure adjacent tubular body based in the stacking direction. By means of the rib structures, the effective area of the tubular body available for heat exchange can be increased. This leads to a further improvement in the efficiency of the heat exchanger.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Trennelemente jeweils längsförmig ausgebildet. Das heißt, das jeweilige Trennelement besitzt eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung gemessene Elementlänge, die wenigstens das Zehnfache einer quer zur Fluid-Durchströmungsrichtung gemessenen Elementbreite beträgt. Auf diese Weise lässt sich in den Fluidpfaden bei geringem Bauraumbedarf eine Vielzahl von fluidisch zueinander getrennt verlaufenden Fluidkanälen realisieren. Bevorzugt beträgt daher die Elementlänge wenigstens das Zwanzigfache der Elementbreite, besonders bevorzugt wenigstens das Fünfzigfache.In another preferred embodiment, the individual separating elements are each formed longitudinally. That is, the respective separator has an element length measured along the fluid flow direction that is at least ten times a member width measured across the fluid flow direction. In this way, a multiplicity of fluid channels extending fluidically relative to one another can be realized in the fluid paths with a small space requirement. Preferably, therefore, the element length is at least twenty times the element width, more preferably at least fifty times.

Besonders zweckmäßig sind in einem bezüglich der Fluid-Durchströmungsrichtung ersten Fluidpfad-Endabschnitt wenigstens eines Fluidpfads keine Trennelemente vorgesehen. Dies bedeutet, dass der erste Fluidpfad-Endabschnitt alle durch die Trennelemente getrennten Fluidkanäle fluidisch miteinander verbindet, Zusätzlich sind in analoger Weise in einem dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung gegenüberliegenden zweiten Fluidpfad-Endabschnitt keine Trennelemente vorhanden. Dies bedeutet, dass der zweite Fluidpfad-Endabschnitt alle durch die Trennelemente getrennten Fluidkanäle fluidisch miteinander verbindet. Diese Maßnahmen erlauben es, das in die Rohrkörper eintretende Fluid effektiv auf die einzelnen Fluidkanäle zu verteilen und wieder aus diesen zu sammeln, ohne dass hierzu aufwändige Zuleitungen erforderlich wären. Dies führt bei dem Wärmetauscher zu einem reduzierten Bauraumbedarf und somit auch zu reduzierten Herstellungskosten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind daher die beiden Fluidpfad-Endabschnitte aller Fluidpfade in der vorangehend beschriebenen Form realisiert. Particularly advantageously, no separating elements are provided in a first fluid path end section of at least one fluid path with respect to the fluid flow direction. This means that the first fluid path end section fluidly connects all the fluid channels separated by the separating elements. In addition, in an analogous manner, no separating elements are present in a second fluid path end section opposite the first fluid path end section along the fluid throughflow direction. This means that the second fluid path end section fluidly connects all the fluid channels separated by the separating elements. These measures make it possible to effectively distribute the fluid entering the tubular body to the individual fluid channels and to collect them again, without the need for elaborate supply lines. This results in the heat exchanger to a reduced space requirement and thus also to reduced production costs. In a particularly preferred embodiment, therefore, the two fluid path end portions of all fluid paths are realized in the form described above.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform besitzt der Wärmetauscher wenigstens einen fluidisch mit dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt verbundenen Fluidverteiler. Dieser dient dazu, das in den Wärmetauscher eingebrachte Fluid auf die Mehrzahl von Fluidpfaden zu verteilen. Entsprechend besitzt der Wärmetauscher wenigstens einen fluidisch mit dem zweiten Fluidpfad-Endabschnitt verbundenen Fluidsammler. Der Fluidsammler dient dazu, das Fluid nach dem Durchströmen der Fluidpfade wieder zu sammeln, bevor es aus dem Wärmetauscher abgeführt wird. In an advantageous development of this embodiment, the heat exchanger has at least one fluid distributor which is fluidically connected to the first fluid path end section. This serves to distribute the introduced into the heat exchanger fluid to the plurality of fluid paths. Accordingly, the heat exchanger has at least one fluid collector fluidly connected to the second fluid path end portion. The fluid collector is used to collect the fluid after flowing through the fluid paths before it is removed from the heat exchanger.

In einer besonders Bauraum sparenden Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Rohrkörper parallel zu einer Längsseite der Rohrkörper. In dieser Ausführungsform sind in dem Wärmetauscher genau ein Fluidverteiler und genau ein Fluidsammler vorhanden. Der Fluidverteiler und der Fluidsammler sind dabei an einander in Rohrkörper-Erstreckungsrichtung der Rohrkörper gegenüberliegen Längsenden angeordnet. Das Fluid wird vom Fluidverteiler zunächst auf die einzelnen Fluidpfade verteilt. In den einzelnen Fluidpfaden wird das Fluid vom ersten Fluidpfad-Endabschnitt auf die verschiedenen Fluidkanäle verteilt. Nach dem Durchströmen der Fluidkanäle eines jeweiligen Fluidpfads wird das Fluid in jedem Fluidpfad im zweiten Fluidpfad-Endabschnitt gesammelt und aus den einzelnen Fluidpfaden im gemeinsamen Fluidsammler gesammelt. Bei der hier vorgestellten Geometrie tritt also das Fluid im Bereich des Längsendes der Rohrkörper in die Fluidpfade ein, an welchem der Fluidverteiler angeordnet ist. Entsprechend tritt das gesamte Fluid im Bereich des Längsendes der Rohrkörper wieder aus den Fluidpfaden aus, an welchem der Fluidsammler angeordnet ist. Ein in dieser Weise realisierter Wärmetäuscher ist besonders einfach aufgebaut, woraus sich erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung ergeben.In a particularly space-saving development of the invention, the tubular body extending parallel to a longitudinal side of the tubular body. In this embodiment, exactly one fluid distributor and exactly one fluid collector are present in the heat exchanger. The fluid distributor and the fluid collector are arranged at longitudinal ends opposite one another in the tube body extension direction of the tube body. The fluid is first distributed by the fluid distributor to the individual fluid paths. In the individual fluid paths, the fluid is distributed from the first fluid path end section to the various fluid channels. After flowing through the fluid channels of a respective fluid path, the fluid in each fluid path is collected in the second fluid path end portion and collected from the individual fluid paths in the common fluid collector. In the geometry presented here, therefore, the fluid enters the fluid paths in the region of the longitudinal end of the tubular body, on which the fluid distributor is arranged. Accordingly, the entire fluid in the region of the longitudinal end of the tubular body again emerges from the fluid paths on which the fluid collector is arranged. A realized in this way heat exchanger is very simple, resulting in significant cost advantages in the production.

In einer anderen Bauraum sparenden Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Rohrkörper ebenfalls parallel zu einer Längsseite der Rohrkörper. In dieser Variante besitzt der Wärmetauscher jedoch zwei Fluidverteiler und zwei Fluidsammler. Dabei sind an jedem der beiden Längsenden der Rohrkörper jeweils ein Fluidverteiler und ein fluidisch von diesem getrennter Fluidsammler angeordnet. Mittels einer derartigen Geometrie kann im Wärmetauscher ein besonders gleichmäßiger Wärmeaustausch zwischen Gas und Fluid erreicht werden.In another space-saving development of the invention, the tubular body also extend parallel to a longitudinal side of the tubular body. In this variant, however, the heat exchanger has two fluid distributor and two fluid collector. Here, at each of the two longitudinal ends of the Pipe body each arranged a fluid distributor and a fluidly separated from this fluid collector. By means of such a geometry, a particularly uniform heat exchange between gas and fluid can be achieved in the heat exchanger.

Besonders zweckmäßig verläuft die Rohr-Erstreckungsrichtung senkrecht sowohl zur Stapelrichtung als auch zur Fluid-Durchströmungsrichtung. Ein derart gestalteter Wärmetauscher benötigt besonders wenig Bauraum.Particularly expedient, the tube extension direction is perpendicular to both the stacking direction and the fluid flow direction. Such a designed heat exchanger requires very little space.

Ein Wärmetauscher mit den vorangehend erläuterten, erfindungsgemäßen Merkmalen – einschließlich der vorangestellten optionalen Merkmale – kann besonders einfach und mit besonders geringen Herstellungskosten in Serienfertigung durch Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Vom dem Begriff "additives Herstellungsverfahren" sind dabei alle Herstellungsverfahren umfasst, welche das Bauteil unmittelbar aus einem Computermodell heraus schichtweise erzeugen. Derartige Herstellungsverfahren sind auch unter der Bezeichnung "Rapid Forming" bekannt. Unter dem Begriff "Rapid Forming" sind dabei insbesondere Produktionsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung von Bauteilen mittels werkzeugloser Fertigung direkt aus CAD-Daten gefasst. Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens ermöglicht auf einfache und flexible Weise die Herstellung. Insbesondere gilt dies für die Herstellung der erfindungswesentlichen Trennelemente. Denn die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens erlaubt es, die einzelnen Komponenten des Wärmetauschers wie etwa Rohrkörper einschließlich Trennelementen, Rippenstruktur, Fluidverteiler und Fluidsammler etc. direkt als CAD-Modell zu definieren und aus einem solchen CAD-Modell heraus direkt zu fertigen. A heat exchanger with the above-described features according to the invention - including the preceding optional features - can be produced in a particularly simple manner and with particularly low production costs in series production by using an additive manufacturing method. The term "additive manufacturing process" encompasses all manufacturing processes which generate the building component directly from a computer model. Such production processes are also known by the name "rapid forming". The term "rapid forming" includes in particular production processes for the rapid and flexible production of components by means of tool-free production directly from CAD data. The use of an additive manufacturing process allows manufacturing in a simple and flexible manner. This applies in particular to the production of the separating elements essential to the invention. Because the use of an additive manufacturing process makes it possible to define the individual components of the heat exchanger such as tubular body including separators, rib structure, fluid distributor and fluid collector, etc. directly as a CAD model and to manufacture directly from such a CAD model.

Bevorzugt kann das additive Herstellungsverfahren Lasersintern umfassen. Dies bedeutet, dass zum Herstellen des Wärmetauschers ein Lasersinterverfahren verwendet wird. Ein solches Lasersinterverfahren ist auch unter dem Begriff "Laserschmelzen" bekannt. Mittels eines solchen Verfahrens kann der des direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt werden. Grundsätzlich wird der Wärmetauscher beim Lasersintern werkzeuglos und schichtweise auf Basis des dem Wärmetauscher zugeordneten dreidimensionalen CAD-Modells gefertigt.Preferably, the additive manufacturing process may include laser sintering. This means that a laser sintering process is used to manufacture the heat exchanger. Such a laser sintering method is also known by the term "laser melting". By means of such a method, that of the directly from 3D CAD data can be produced. In principle, the heat exchanger during laser sintering is manufactured without tools and in layers on the basis of the three-dimensional CAD model assigned to the heat exchanger.

Vorzugsweise kann der Wärmetauscher einstückig ausgebildet sein. Eine solche, einstückige Ausbildung bildet sich insbesondere bei Verwendung des vorangehend vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des Lasersinterns, an. Mittels einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers entfällt das sehr aufwändige und somit kostenintensive Befestigen der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers aneinander. Beispielsweise entfallen das stoffschlüssige Befestigen der einzelnen Rohrkörper an den Rippenstrukturen sowie das stoffschlüssige Befestigen von Fluidverteiler und Fluidsammler an den Rohrkörpern.Preferably, the heat exchanger may be integrally formed. Such a one-piece design forms in particular when using the above-presented additive manufacturing process, in particular laser sintering. By means of a one-piece design of the heat exchanger eliminates the very costly and therefore costly attaching the individual components of the heat exchanger together. For example, eliminating the cohesive fastening of the individual tubular body to the rib structures as well as the cohesive fastening of fluid distributor and fluid collector to the tubular bodies.

Besonders bevorzugt können die Trennelemente stegartig ausgebildet und integral an dem jeweiligen, den ersten Fluidkanal begrenzenden Rohrkörper ausgeformt sein. In diesem Szenario bilden zwei benachbarte Trennelemente zusammen mit dem Rohrkörper für jeden Fluidkanal einen Rohrkörper aus, durch welchen der Fluidkanal begrenzt wird. Particularly preferably, the separating elements can be formed web-like and integrally formed on the respective, the first fluid channel limiting tubular body. In this scenario, two adjacent partition members together with the tubular body for each fluid channel form a tubular body through which the fluid channel is confined.

Soll die Ausbildung von Wirbelströmen etc. in dem durch die Fluidkanäle strömenden Fluid vermieden werden, so empfiehlt sich eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung geradlinige Ausbildung der Trennelemente.If the formation of eddy currents, etc., in the fluid flowing through the fluid channels is to be avoided, it is advisable to provide a rectilinear design of the separating elements along the fluid throughflow direction.

Soll das Strömungsbild des durch die Fluidkanäle strömenden Fluids hingegen gezielt beeinflusst werden, etwa um mit Hilfe von Wirbelströmungen den Wärmeaustausch mit dem Gas zu erhöhen, so erweist sich eine nicht-geradlinige Ausbildung der Trennelemente als besonders vorteilhaft. In diesem Fall wird vorgeschlagen, die Trennelemente in wenigstens zwei Elementabschnitte zu unterteilen, die in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung winkelig zueinander angeordnet sind. Da mit einer solchen Geometrie lokale Variationen der Kanalbreite der Fluidkanäle entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung verbunden sind, werden auf diese Weise die gewünschten Änderungen im Strömungsbild des Fluids erzeugt. Besonders bevorzugt sind daher nicht nur zwei Elementabschnitte, sondern eine Mehrzahl von Elementabschnitten vorgesehen. Besonders zweckmäßig können benachbarte Elementabschnitte in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung unter einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sein. Die Ausbildung von Trennelementen mit geradliniger oder nicht-geradliniger Geometrie lässt sich besonders einfach mittels des oben vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens realisieren.If, on the other hand, the flow pattern of the fluid flowing through the fluid channels is to be selectively influenced, for example in order to increase the heat exchange with the gas with the aid of turbulent flows, then a non-linear design of the separating elements proves to be particularly advantageous. In this case, it is proposed to divide the separating elements into at least two element sections, which are arranged at an angle to each other in a cross-section perpendicular to the stacking direction. Since such a geometry involves local variations in the channel width of the fluid channels along the fluid flow direction, this produces the desired changes in the flow pattern of the fluid. Therefore, not only two element sections, but a plurality of element sections are particularly preferred. Particularly expedient adjacent element sections may be arranged in the cross section perpendicular to the stacking direction at an obtuse angle to each other. The formation of separating elements with a straight-line or non-straight-line geometry can be realized particularly simply by means of the above-described additive manufacturing method.

In einer dazu alternativen Ausführungsform können die Trennelemente in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung wenigstens abschnittsweise gekrümmt ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Strömung des Fluids durch die Fluidkanäle optimiert werden. Es versteht sich, dass bei den vorangehend genannten Ausbildungsformen die Elementabschnitte zur Ausbildung eines jeweiligen Trennelements unmittelbar ineinander übergehen und integral aneinander ausgeformt sind. Auch für die gekrümmte Ausbildung der Trennelemente eignet sich das additive Herstellungsverfahren in besonderem Maße.In an alternative embodiment, the separating elements may be formed in the cross section perpendicular to the stacking direction at least partially curved. In this way, the flow of the fluid through the fluid channels can be optimized. It is understood that in the above-mentioned embodiments, the element portions for forming a respective separating element directly merge into each other and are integrally formed on each other. Also for the curved design of the separating elements, the additive manufacturing process is particularly suitable.

Als besonders vorteilhaft erweist sich die Bereitstellung von Turbulenzerzeugungselementen in den Fluidkanälen. Diese dienen zur Erzeugung von Turbulenzen in dem durch die Fluidkanäle strömenden Fluid. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steht zu diesem Zweck von den Trennelementen jeweils eine Mehrzahl von Fortsätzen ab. Die Fortsätze sind dabei derart am jeweiligen Trennelement angeordnet, dass die Fortsätze in den vom jeweiligen Trennelement begrenzten Fluidkanal hineinragen. Für die Ausbildung der Turbulenzerzeugungselemente an den Trennelementen eignet sich das additive Herstellungsverfahrens in besonderem Maße. Particularly advantageous is the provision of turbulence generating elements in the fluid channels. These serve to generate turbulence in the fluid flowing through the fluid channels. In a further preferred embodiment, a plurality of extensions projects from the separating elements for this purpose. The extensions are in this case arranged on the respective separating element such that the extensions protrude into the fluid channel bounded by the respective separating element. For the formation of the turbulence generating elements on the separating elements, the additive manufacturing process is particularly suitable.

Besonders zweckmäßig können die Fortsätze jeweils im Wesentlichen quer von dem Trennelement abstehen, an welchem sie ausgeformt sind.Particularly expedient, the extensions can each protrude substantially transversely from the separating element, on which they are formed.

Zum Ausgleich von Druckverlusten in dem durch die Fluidkanäle strömenden Fluid empfiehlt es sich, die einzelnen, an einem bestimmten Trennelements vorgesehenen Fortsätze im Wesentlichen äquidistant zueinander anzuordnen.To compensate for pressure losses in the fluid flowing through the fluid channels, it is advisable to arrange the individual projections provided on a specific separating element substantially equidistant from each other.

Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausführungsform, bei welcher wenigstens zwei an einem Trennelement ausgebildete Fortsätze an einander gegenüberliegenden Seiten von diesem abstehen, Dies bedeutet, dass in beide von diesem Trennelement getrennt Fluidkanäle wenigstens ein Fortsatz hineinragt.Particularly advantageous is an embodiment in which at least two protrusions formed on a separating element protrude on opposite sides thereof, this means that in at least one extension protrudes into both fluid channels separate from this separating element.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem vorangehend vorgestellten Wärmetauscher.The invention further relates to a waste heat utilization device with a previously presented heat exchanger.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden 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 is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematischIt show, each schematically

1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer perspektivischen Darstellung, 1 an example of a heat exchanger according to the invention in a perspective view,

2 eine vergrößerte Teildarstellung der 1, 2 an enlarged partial view of 1 .

3 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher entlang der Schnittebene III-III der 1, 3 a cross section through the heat exchanger along the sectional plane III-III of 1 .

4 eine Variante des Beispiels der 3, 4 a variant of the example of 3 .

5–10 verschiedene Beispiele für mögliche Realisierungsformen der in den Rohrkörpern vorhandenen Trennelemente. 5 - 10 various examples of possible embodiments of existing in the tubular bodies separating elements.

1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. 2 zeigt eine vergrößerte Teildarstellung der 1. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass dieser als Ladeluftkühler Verwendung findet. Es versteht sich, dass der Wärmetauscher 1 aber auch als Kühlmittelkühler verwendet werden kann. Entsprechend den 1 und 2 umfasst der Wärmetauscher 1 eine Mehrzahl von Fluidpfaden 2, durch welche ein Fluid (vgl. Pfeile X in 2) entlang einer Fluid-Durchströmungsrichtung F strömen kann. Jeder Fluidpfad 2 ist wird von einem Rohrkörper 3 begrenzt, wobei die Rohrkörper 3 entlang einer Stapelrichtung S stapelartig aufeinander angeordnet sind. Jeder Rohrkörper 3 erstreckt sich entlang einer Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E, die parallel zu einer Längsseite 15 des Rohrkörpers 3 und orthogonal zur Fluid-Durchströmungs-richtung verläuft. Die Fluid-Durchströmungsrichtung F verläuft also parallel zu einer Querseite 19 der Rohrkörper 3 (vgl. 2). Die Rohr-Erstreckungsrichtung E verläuft auch orthogonal zur Stapelrichtung S. Die Rohrkörper 3 können wie in 2 gezeigt als Flachrohre ausgebildet sein. 1 shows a perspective view of an example of a heat exchanger according to the invention 1 , 2 shows an enlarged partial view of the 1 , Below it is assumed that this is used as intercooler. It is understood that the heat exchanger 1 but can also be used as a coolant cooler. According to the 1 and 2 includes the heat exchanger 1 a plurality of fluid paths 2 through which a fluid (see arrows X in FIG 2 ) can flow along a fluid flow direction F. Every fluid path 2 is from a pipe body 3 limited, the tubular body 3 along a stacking direction S are stacked on top of each other. Every tubular body 3 extends along a tube body extension direction E, which is parallel to a longitudinal side 15 of the tubular body 3 and orthogonal to the fluid flow direction. The fluid flow direction F thus runs parallel to a transverse side 19 the tubular body 3 (see. 2 ). The pipe extension direction E is also orthogonal to the stacking direction S. The tubular body 3 can like in 2 be shown as flat tubes.

Die 3 zeigt exemplarisch einen Fluidpfad 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S und entlang der Schnittebene III-III der 1. Man erkennt, dass in dem den Fluidpfad 2 ausbildenden Rohrkörper 3 eine Mehrzahl von Trennelementen 4 angeordnet ist, welche den Fluidpfad 2 in eine Mehrzahl von fluidisch getrennten Fluidkanälen 5 unterteilt. Die Fluidkanäle 5 erstrecken sich entlang der bereits erwähnten Fluid-Durchströmungsrichtung F, die orthogonal zur Stapelrichtung S verläuft. The 3 shows an example of a fluid path 2 in a cross section perpendicular to the stacking direction S and along the sectional plane III-III of 1 , It can be seen that in the fluid path 2 forming tubular body 3 a plurality of separating elements 4 is arranged, which the fluid path 2 into a plurality of fluidically separated fluid channels 5 divided. The fluid channels 5 extend along the already mentioned fluid flow direction F, which is orthogonal to the stacking direction S.

Betrachtet man nun wieder die 1 und 2, so erkennt man, dass zwischen zwei in Stapelrichtung S benachbarten Rohrkörpern 3 jeweils ein Zwischenraum 6 ausgebildet ist. Durch die Zwischenräume 6 wird jeweils ein Gaspfad 7 zum Durchströmen mit einem vom Fluid zu kühlenden Gas ausgebildet. Die Gaspfade 7 sind dabei derart realisiert, dass das Gas (vgl. Pfeile Y in 3) entlang der Gas-Durchströmungsrichtung G durch die Gaspfade 7 strömt. In jedem Zwischenraum 6 kann eine Rippenstruktur 14 vorgesehen sein. An der Rippenstruktur 14 stützen sich in Stapelrichtung S benachbarte Rohrkörper 3 ab. Mittels der Rippenstrukturen 14 wird die effektive, für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Wechselwirkungsfläche der Rohrkörper 3 vergrößert. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Effizienz des Wärmetauschers 1. Wie 1 erkennen lässt, sind die Zwischenräume 6 zum Ein- und Ausleiten des Gases an entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers 1 offen ausgebildet. Durch diese Öffnungen 20 kann das Gas in die Zwischenräume 6 bzw. Gaspfade 7 ein- und wieder ausgeleitet werden.Looking again at the 1 and 2 , it can be seen that between two adjacent in the stacking direction S tubular bodies 3 one space each 6 is trained. Through the gaps 6 each becomes a gas path 7 designed to flow through with a gas to be cooled by the fluid. The gas paths 7 are realized in such a way that the gas (see arrows Y in 3 ) along the gas flow direction G through the gas paths 7 flows. In every space 6 can be a rib structure 14 be provided. At the rib structure 14 are based in the stacking direction S adjacent tubular body 3 from. By means of the rib structures 14 becomes the effective interaction area of the tubular body available for heat exchange 3 increased. This leads to a further improvement in the efficiency of the heat exchanger 1 , As 1 recognize, are the spaces between 6 for introducing and discharging the gas at along the fluid flow direction F opposite ends of the heat exchanger 1 open. Through these openings 20 can the gas in the interstices 6 or gas paths 7 be discharged and again.

Die Gas-Durchströmungsrichtung G und die Fluid-Durchströmungsrichtung F verlaufen zur Realisierung des erfindungswesentlichen Gegenstromprinzips für das Gas und das Fluid entgegengesetzt zueinander. Dies bedeutet, dass das Gas (Pfeile Y) und das Fluid (Pfeile X) in entgegengesetzter Richtung durch die Gas- bzw. Fluidpfade 7, 2 geführt werden. Dies gilt insbesondere für diejenigen Bereiche der Gas- bzw. Fluidpfade 7, 2, in welchen die thermische Wechselwirkung zwischen Gas und Fluid stattfindet. Mittels des Gegenstromprinzips wird erreicht, dass immer ein Temperaturgefälle zwischen Gas und Fluid besteht. Somit ist sichergestellt, dass über die gesamten Gas- bzw. Fluidpfade 7, 2 hinweg ein Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Fluid stattfindet. Dies führt zu einer besonders hohen Effizienz des Wärmetauschers 1.The gas flow direction G and the fluid flow direction F are opposite to each other for the realization of the invention countercurrent principle for the gas and the fluid. This means that the gas (arrows Y) and the fluid (arrows X) in the opposite direction through the gas or fluid paths 7 . 2 be guided. This applies in particular to those areas of the gas or fluid paths 7 . 2 in which the thermal interaction between gas and fluid takes place. By means of the countercurrent principle it is achieved that there is always a temperature gradient between gas and fluid. This ensures that over the entire gas or fluid paths 7 . 2 heat exchange takes place between the gas and the fluid. This leads to a particularly high efficiency of the heat exchanger 1 ,

Wie 3 weiter erkennen lässt, sind die einzelnen Trennelemente 4 jeweils längsförmig ausgebildet. Das heißt, das jeweilige Trennelement 4 besitzt eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F gemessene Elementlänge l, die wenigstens das Zehnfache einer quer zur Fluid-Durchströmungsrichtung F gemessenen Elementbreite b beträgt. Auf diese Weise lässt sich in jedem Fluidpfad 2 bei geringem Bauraumbedarf eine Vielzahl von fluidisch zueinander getrennt verlaufenden Fluidkanälen 5 anordnen. Bevorzugt beträgt die Elementlänge l wenigstens das Zwanzigfache der Elementbreite b, besonders bevorzugt wenigstens das Fünfzigfache. Jeder Fluidpfad 2 weist in der Fluid-Durchströmungsrichtung F einen ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a und einen dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a gegenüberliegenden, zweiten Fluidpfad-Endabschnitt 8b auf. Im Bereich der beiden Fluidpfad-Endabschnitte 8a, 8b sind keine Trennelemente 4 ausgebildet, was bedeutet, dass der erste Fluidpfad-Endabschnitt 8a alle durch die Trennelemente 4 getrennten Fluidkanäle 5 fluidisch miteinander verbinden kann. Entsprechend verbindet auch der zweite Fluidpfad-Endabschnitt 8b alle durch die Trennelemente 4 getrennten Fluidkanäle 5 fluidisch miteinander. Eine solche fluidische Verbindung kann beispielsweise realisiert werden, indem eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F verlaufende Breite b der Rohrkörper 3 größer konzipiert wird als die Länge l der Trennelemente 4. Dann kann das in die Rohrkörper 3 eintretende Fluid wie gewünscht auf die einzelnen Fluidkanäle 5 verteilt und nach dem Durchströmen der Fluidkanäle 5 wieder aus diesen zusammengeführt und gesammelt werden. As 3 can be further seen, are the individual separation elements 4 each formed longitudinally. That is, the respective separating element 4 has an element length l measured along the fluid flow direction F, which is at least ten times an element width b measured transversely to the fluid flow direction F. This way can be in any fluid path 2 With a small space requirement, a plurality of fluidly mutually separated fluid channels 5 Arrange. Preferably, the element length l is at least twenty times the element width b, more preferably at least fifty times. Every fluid path 2 has a first fluid path end portion in the fluid flow direction F 8a and a first fluid path end portion 8a opposite, second fluid path end portion 8b on. In the area of the two fluid path end sections 8a . 8b are not separators 4 formed, which means that the first fluid path end portion 8a all through the dividers 4 separate fluid channels 5 fluidly connect with each other. Accordingly, the second fluid path end section also connects 8b all through the dividers 4 separate fluid channels 5 fluidly with each other. Such a fluidic connection can be realized, for example, by extending along the fluid flow direction F width b of the tubular body 3 is designed larger than the length l of the separating elements 4 , Then that can be done in the tubular body 3 entering fluid as desired to the individual fluid channels 5 distributed and after flowing through the fluid channels 5 be merged and collected from these again.

Wie die 2 und 3 belegen, kann der Wärmetauscher 1 einen fluidisch mit dem ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a verbundenen Fluidverteiler 9 umfassen. Dieser dient dazu, das über einen Fluideinlass 11 in den Fluidverteiler 9 eingebrachte Fluid auf die in den Fluidpfaden 2 gebildeten Fluidkanäle 5 zu verteilen. Ebenso besitzt der Wärmetauscher 1 einen fluidisch mit dem zweiten Fluidpfad-Endabschnitt 8b verbundenen Fluidsammler 10. Dieser dient dazu, das Fluid nach dem Durchströmen der Fluidpfade 2 bzw. der Fluidkanäle 5 wieder zu sammeln und über einen Fluidauslass 12 aus dem Wärmetauscher 1 abzuführen. In dem Beispiel gemäß 3 sind in dem Wärmetauscher 1 genau ein Fluidverteiler 9 und genau ein Fluidsammler 10 vorgesehen. Der Fluidverteiler 9 und der Fluidsammler 10 sind dabei an einander in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E der Rohrkörper 3 gegenüberliegenden Längsenden 13 der Rohrkörper 3 angeordnet. As the 2 and 3 can prove, the heat exchanger 1 a fluidic with the first fluid path end portion 8a connected fluid distributor 9 include. This serves to do this via a fluid inlet 11 in the fluid distributor 9 introduced fluid to the in the fluid paths 2 formed fluid channels 5 to distribute. Likewise, the heat exchanger has 1 a fluidic with the second fluid path end portion 8b connected fluid collector 10 , This serves to fluid after flowing through the fluid paths 2 or the fluid channels 5 to collect again and through a fluid outlet 12 from the heat exchanger 1 dissipate. In the example according to 3 are in the heat exchanger 1 exactly one fluid distributor 9 and exactly a fluid collector 10 intended. The fluid distributor 9 and the fluid collector 10 are at each other in the pipe body extension direction E of the tubular body 3 opposite longitudinal ends 13 the tubular body 3 arranged.

Das Durchströmen des Wärmetauschers 1 mit dem Fluid geschieht wie folgt: Das Fluid wird über den Fluideinlass 12 in den Fluidverteiler 9 eingebracht und von diesem auf die einzelnen Fluidpfade 2 bzw. Rohrkörper 3 verteilt. In den einzelnen Fluidpfaden 3 wird das Fluid vom ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a auf die einzelnen Fluidkanäle 5 des Fluidpfads 3 verteilt. Nach dem Durchströmen der Fluidkanäle 5 wird das Fluid im jeweiligen zweiten Fluidpfad-Endabschnitt 8b gesammelt und aus den einzelnen Fluidpfaden 2 in dem gemeinsamen Fluidsammler 10 gesammelt. Das Fluid tritt also im Bereich eines der beiden Längsenden 13 der Rohrkörper 3 in die Fluidpfade 2 ein, an welchem der Fluidverteiler 9 angeordnet ist. Entsprechend tritt das Fluid im Bereich des anderen Längsendes 13 der Rohrkörper 3 wieder aus den Fluidpfaden 2 aus, an welchem der Fluidsammler 10 angeordnet ist. The flow through the heat exchanger 1 with the fluid happens as follows: the fluid is passing through the fluid inlet 12 in the fluid distributor 9 introduced and from this on the individual fluid paths 2 or tubular body 3 distributed. In the individual fluid paths 3 the fluid becomes from the first fluid path end portion 8a on the individual fluid channels 5 of the fluid path 3 distributed. After flowing through the fluid channels 5 becomes the fluid in the respective second fluid path end portion 8b collected and from the individual fluid paths 2 in the common fluid collector 10 collected. The fluid thus occurs in the region of one of the two longitudinal ends 13 the tubular body 3 into the fluid paths 2 on, at which the fluid distributor 9 is arranged. Accordingly, the fluid occurs in the region of the other longitudinal end 13 the tubular body 3 again from the fluid paths 2 from where the fluid collector 10 is arranged.

Die 4 zeigt eine Variante des Wärmetauschers der 1 bis 3. Die 4 zeigt diese Variante in einer zur 3 analogen Darstellung, also in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S. Im Beispielszenario der 4 besitzt der Wärmetauscher 1 zwei Fluidverteiler 9 und zwei Fluidsammler 10. Auch im Beispiel der 4 erstrecken sich die Rohrkörper 3 entlang der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E, die parallel zur Längsseite 15 der Rohrkörper verläuft. Dabei sind an jedem der beiden Längsenden 13 der Rohrkörper 3 jeweils ein Fluidverteiler 9 und ein fluidisch von diesem getrennter Fluidsammler 10 angeordnet. The 4 shows a variant of the heat exchanger of 1 to 3 , The 4 shows this variant in a for 3 analog representation, ie in a cross section perpendicular to the stacking direction S. In the example scenario of 4 owns the heat exchanger 1 two fluid distributors 9 and two fluid collectors 10 , Also in the example of 4 extend the tubular body 3 along the tubular body extension direction E, which is parallel to the longitudinal side 15 the tubular body runs. There are at each of the two longitudinal ends 13 the tubular body 3 one fluid distributor each 9 and a fluid collector separate from it fluidly 10 arranged.

Das Durchströmen des Wärmetauschers 1 der 4 mit dem Fluid geschieht wie folgt: Das Fluid wird über die beiden Fluideinlasse 11 in die beiden einander in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E gegenüberliegenden Fluidverteiler 9 eingebracht und von diesen auf die jeweiligen ersten Fluidpfad-Endabschnitte 8a der einzelnen Fluidpfade 2 bzw. Rohrkörper 3 verteilt. In den einzelnen Fluidpfaden 2 wird das Fluid vom ersten Fluidpfad-Endabschnitt 8a auf die einzelnen Fluidkanäle 5 des jeweiligen Fluidpfads 2 verteilt. Nach dem Durchströmen der Fluidkanäle 5 wird das Fluid in den zweiten Fluidpfad-Endabschnitten 8b der Fluidpfade 2 bzw. Rohrkörper 3 gesammelt und strömt von dort in einen der beiden Fluidsammler 10, die einander in der Rohrkörper-Erstreckungsrichtung E gegenüberliegen. Aus dem Fluidsammler 10 wird das Fluid über den jeweiligen Fluidauslass 12 aus dem Wärmetauscher 1 ausgeleitet. Mittels der in 4 gezeigten Anordnung kann im Wärmetauscher 1 ein besonders gleichmäßiger Wärmeaustausch erzielt werden. Hierzu muss lediglich sichergestellt sein, dass der Fluiddruck des Fluids in den beiden Fluidverteilern 9 im Wesentlichen identisch ist und dass der Fluiddruck des Fluids in den beiden Fluidsammlern 10 ebenfalls im Wesentlichen identisch ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Fluid gleichmäßig auf die einzelnen Fluidkanäle 5 verteilt wird und dass die Fluidkanäle 5 gleichmäßig mit dem Fluid durchströmt werden. Dies führt im Ergebnis zu einem besonders gleichmäßigen Wärmeaustausch zwischen Gas und Fluid. The flow through the heat exchanger 1 of the 4 with the fluid happens as follows: the Fluid is flowing through the two fluid inlets 11 in the two opposite each other in the tube body extension direction E fluid distributor 9 and from these to the respective first fluid path end portions 8a the individual fluid paths 2 or tubular body 3 distributed. In the individual fluid paths 2 the fluid becomes from the first fluid path end portion 8a on the individual fluid channels 5 of the respective fluid path 2 distributed. After flowing through the fluid channels 5 the fluid becomes in the second fluid path end portions 8b the fluid paths 2 or tubular body 3 collected and flows from there into one of the two fluid collector 10 which are opposed to each other in the tube body extending direction E. From the fluid collector 10 the fluid is transferred via the respective fluid outlet 12 from the heat exchanger 1 discharged. By means of in 4 shown arrangement can in the heat exchanger 1 a particularly uniform heat exchange can be achieved. For this purpose, it must merely be ensured that the fluid pressure of the fluid in the two fluid distributors 9 is substantially identical and that the fluid pressure of the fluid in the two fluid collectors 10 is also substantially identical. In this way it is ensured that the fluid evenly on the individual fluid channels 5 is distributed and that the fluid channels 5 be traversed evenly with the fluid. As a result, this leads to a particularly uniform heat exchange between gas and fluid.

Die im Beispielszenario der 1 bis 4 nur schematisch angedeuteten Trennelemente 4 können stegartig ausgebildet sein. Im Beispiel der Figuren sind die Trennelemente 4 integral an dem jeweiligen, den Fluidkanal 5 begrenzenden Rohrkörper 3 ausgeformt. Soll die Ausbildung von Wirbelströmen etc. in dem durch die Fluidkanäle 5 strömenden Fluid vermieden werden, so empfiehlt sich eine entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F geradlinige Ausbildung der Trennelemente 4. In the example scenario of the 1 to 4 only schematically indicated dividing elements 4 can be formed web-like. In the example of the figures, the separating elements 4 integral to the respective, the fluid channel 5 limiting tubular body 3 formed. If the formation of eddy currents etc. in the through the fluid channels 5 flowing fluid can be avoided, it is recommended along the fluid flow direction F rectilinear design of the separating elements 4 ,

Dies ist zur Verdeutlichung in 5 für einen einzigen Rohrkörper 3 dargestellt. Soll hingegen das Strömungsbild des durch die Fluidkanäle 5 strömenden Fluids ´ gezielt beeinflusst werden, etwa um mit Hilfe von Wirbelströmungen den Wärmeaustausch mit dem Gas zu erhöhen, so empfiehlt sich eine nicht geradlinige Ausbildung der Trennelemente 4. Mögliche Realisierungsformen für eine solche, nicht-geradlinige Ausbildung der Trennelemente 4 sind in den 6 bis 10 skizziert. This is for clarity in 5 for a single tubular body 3 shown. If, however, the flow pattern of the through the fluid channels 5 flowing fluids' are specifically influenced, such as to increase the heat exchange with the gas by means of turbulent flows, so it is recommended that a non-rectilinear design of the separating elements 4 , Possible implementation forms for such, non-rectilinear design of the separating elements 4 are in the 6 to 10 outlined.

Im Beispiel der 6 sind die einzelnen Trennelemente 4 jeweils in eine Mehrzahl von Elementabschnitten 16 unterteilt. Die Elementabschnitte 16 sind integral aneinander ausgeformt und ergänzen sich zum Trennelement 4. Benachbarte Elementabschnitte 16 sind in einem Querschnitt des Wärmetauschers 1 senkrecht zur Stapelrichtung S, wie er in den 5 bis 10 gezeigt ist, unter einem stumpfen Winkel, also winkelig zueinander angeordnet. Da mit einer solchen Geometrie lokale Variationen der Kanalbreite der Fluidkanäle 5 entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F einhergehen, werden auf diese Weise die gewünschten Variationen im Strömungsbild des Fluids, insbesondere Wirbel, erzeugt. In the example of 6 are the individual separating elements 4 each in a plurality of element sections 16 divided. The element sections 16 are formed integrally with each other and complement each other to the separating element 4 , Adjacent element sections 16 are in a cross section of the heat exchanger 1 perpendicular to the stacking direction S, as in the 5 to 10 is shown at an obtuse angle, that is arranged at an angle to each other. Because with such a geometry local variations of the channel width of the fluid channels 5 Along the fluid flow direction F, the desired variations in the flow pattern of the fluid, in particular vortices, are produced in this way.

Die 7 zeigt bezüglich der Realisierung der Trennelemente 4 eine weitere Variante, bei welcher die Trennelemente 4 im Querschnitt des Wärmetauschers 1 senkrecht zur Stapelrichtung S eine wellenartige Geometrie besitzen. Das heißt, das betreffende Trennelement 4 ist wie in 7 gezeigt entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F des Wärmetauschers 1 bzw. des Rohrkörpers 3 gekrümmt ausgebildet. In einer vereinfachten Variante kann eine solche gekrümmte Ausbildung der Trennelemente 4 auch nur abschnittsweise erfolgen.The 7 shows with respect to the realization of the separating elements 4 a further variant in which the separating elements 4 in cross-section of the heat exchanger 1 perpendicular to the stacking direction S have a wave-like geometry. That is, the respective separating element 4 is like in 7 shown along the fluid flow direction F of the heat exchanger 1 or of the tubular body 3 formed curved. In a simplified variant, such a curved design of the separating elements 4 even in sections.

Zur Erzeugung von Turbulenzen in der Fluidströmung, um auf diese Weise den Wärmeaustausch des Fluids mit dem Gas zu erhöhen, erweist sich die Bereitstellung von Turbulenzerzeugungselementen 17 in den Fluidkanälen 5 als vorteilhaft. Diese können wie in 8 für geradlinig ausgebildete Trennelemente 4 gezeigt, als Fortsätze 18 realisiert sein, die seitlich von den Trennelementen 4 abstehen. Bevorzugt sind die Fortsätze 18 integral an den Trennelementen 4 ausgeformt. Um ihre Wirkung als Turbulenzerzeugungselemente 17 entfalten zu können, sind die Fortsätze 18 wie in 8 gezeigt derart am jeweiligen Trennelement 4 ausgeformt, dass sie in den vom jeweiligen Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hineinragen. Im Beispiel der 8 sind die Trennelemente 4 geradlinig ausgebildet. Die Fortsätze 18 stehen jeweils orthogonal, von den Trennelementen 4 ab und ragen in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hinein. In Varianten des Beispiels der 8 können die Fortsätze 18 auch unter einem anderen Winkel von den Trennelementen abstehen. To provide turbulence in the fluid flow so as to increase the heat exchange of the fluid with the gas, the provision of turbulence generating elements proves 17 in the fluid channels 5 as advantageous. These can be like in 8th for rectilinear dividing elements 4 shown as extensions 18 be realized, the side of the separating elements 4 protrude. The extensions are preferred 18 integral to the separating elements 4 formed. To their effect as turbulence generating elements 17 to be able to unfold are the extensions 18 as in 8th shown so on the respective separator 4 formed in that of the respective separating element 4 limited fluid channel 5 protrude. In the example of 8th are the dividers 4 formed in a straight line. The extensions 18 are each orthogonal, of the separating elements 4 From and protrude into the partition 4 limited fluid channel 5 into it. In variants of the example of 8th can the extensions 18 also protrude from the separating elements at a different angle.

Die 9 und 10 zeigen weitere Varianten der Beispiele der 5 bis 7. Die 9 stellt dabei eine Kombination der Beispiele der 6 und 8 dar. Die Trennelemente 4 der 9 umfassen jeweils eine Mehrzahl von Elementabschnitten 16. Die Elementabschnitte 16 der Trennelemente gemäß 9 sind integral aneinander ausgeformt und ergänzen sich zum Trennelement 4. Benachbarte Elementabschnitte 16 sind in einem Querschnitt des Wärmetauschers 1 senkrecht zur Stapelrichtung S unter einem stumpfen Winkel, also winkelig zueinander, angeordnet. Zusätzlich steht von den Trennelementen 4 – in analoger Weise zum Beispiel der 8 – eine Mehrzahl von Fortsätzen 18 ab, die zur Ausbildung von Turbulenzerzeugungselementen 17 in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hineinragen. Die Fortsätze 18 stehen jeweils quer, vorzugsweise orthogonal, von den Trennelementen 4 ab und ragen in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hinein.The 9 and 10 show further variants of the examples of 5 to 7 , The 9 represents a combination of the examples of 6 and 8th dar. The separating elements 4 of the 9 each comprise a plurality of element sections 16 , The element sections 16 the separating elements according to 9 are formed integrally with each other and complement each other to the separating element 4 , Adjacent element sections 16 are in a cross section of the heat exchanger 1 perpendicular to the stacking direction S at an obtuse angle, ie angled to each other, arranged. In addition stands of the separating elements 4 - In an analogous manner, for example, the 8th - a plurality of extensions 18 starting to form turbulence generating elements 17 in the from the separator 4 limited fluid channel 5 protrude. The extensions 18 are each transverse, preferably orthogonal, of the separating elements 4 From and protrude into the partition 4 limited fluid channel 5 into it.

Das Beispiel der 10 zeigt eine Kombination der Beispiele der 7 und 8. Die Trennelemente 4 besitzen eine wellenartige Geometrie. Das heißt, das betreffende Trennelement 4 ist wie in 7 gezeigt entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F des Wärmetauschers 1 bzw. des Rohrkörpers 3 gekrümmt, insbesondere wellenförmig, ausgebildet. In einer vereinfachten Variante kann eine solche gekrümmte bzw. wellenförmige Ausbildung der Trennelemente 4 auch nur abschnittsweise erfolgen. Zusätzlich steht von den Trennelementen 4 – in analoger Weise zum Beispiel der 8 – eine Mehrzahl von Fortsätzen 18 ab, die zur Ausbildung von Turbulenzerzeugungselementen 17 in den vom jeweiligen Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hineinragen. Die Fortsätze 18 stehen jeweils quer, vorzugsweise orthogonal, von den Trennelementen 4 ab und ragen in den vom Trennelement 4 begrenzten Fluidkanal 5 hinein.The example of 10 shows a combination of the examples of 7 and 8th , The separating elements 4 have a wavy geometry. That is, the respective separating element 4 is like in 7 shown along the fluid flow direction F of the heat exchanger 1 or of the tubular body 3 curved, in particular undulating, formed. In a simplified variant, such a curved or wavy formation of the separating elements 4 even in sections. In addition stands of the separating elements 4 - In an analogous manner, for example, the 8th - a plurality of extensions 18 starting to form turbulence generating elements 17 in the respective separator 4 limited fluid channel 5 protrude. The extensions 18 are each transverse, preferably orthogonal, of the separating elements 4 From and protrude into the partition 4 limited fluid channel 5 into it.

In den Beispielen der 8 bis 10 stehen entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F benachbarte Fortsätze 18 an einander gegenüberliegenden Seiten von den Trennelementen 4 ab. Zwei in der Fluid-Durchströmungsrichtung F benachbarte Fortsätze 18 ragen also in zwei benachbarte Fluidkanäle 5 hinein. In the examples of 8th to 10 stand adjacent extensions along the fluid flow direction F. 18 on opposite sides of the separating elements 4 from. Two adjacent in the fluid flow direction F extensions 18 thus protrude into two adjacent fluid channels 5 into it.

Zur Erzeugung möglichst vieler Wirbel in der Fluidströmung empfiehlt sich eine in den 6 bis 8 gezeigte, äquidistante Anordnung der einzelnen Fortsätze 18 entlang der Fluid-Durchströmungsrichtung F.To generate as many vortices in the fluid flow is recommended in the 6 to 8th shown, equidistant arrangement of the individual extensions 18 along the fluid flow direction F.

Der Wärmetauscher 1 gemäß den 1 bis 4 kann besonders einfach und mit geringen Herstellungskosten durch Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens wie beispielsweise Lasersintern hergestellt werden. Vom dem Begriff "additives Herstellungsverfahren" sind dabei erfindungsgemäß alle Herstellungsverfahren umfasst, welche das Bauteil unmittelbar aus einem Computermodell heraus schichtweise aufbauen. Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens erlaubt es, die einzelnen Komponenten des Wärmetauschers wie etwa Rohrkörper einschließlich Trennelementen, Rippenstruktur, Fluidverteiler und Fluidsammler etc. direkt als CAD-Modell zu definieren und aus einem solchen CAD-Modell heraus direkt zu fertigen. The heat exchanger 1 according to the 1 to 4 can be produced particularly easily and with low production costs by using an additive manufacturing method such as laser sintering. According to the invention, the term "additive production process" encompasses all production processes which build up the component in layers directly from a computer model. The use of an additive manufacturing method allows the individual components of the heat exchanger, such as tubular bodies including separators, fin structure, fluid manifolds and fluid collectors, etc., to be directly defined as a CAD model and made directly from such a CAD model.

Der Wärmetauscher 1 kann einstückig ausgebildet sein. Eine solche, einstückige Ausbildung bildet sich insbesondere bei Verwendung des vorangehend erläuterten additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere des genannten Lasersinterns, an. Bei einer einstückigen Ausbildung des Wärmetauschers 1 entfällt das sehr aufwändige und somit kostenintensive Befestigen der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers aneinander. Beispielsweise entfällt das stoffschlüssige Befestigen der einzelnen Rohrkörper 3 an den Rippenstrukturen 14, etwa mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung, sowie das stoffschlüssige Befestigen von Fluidverteiler 9 und Fluidsammler 10 an den Rohrkörpern 3. Dies führt zu erheblichen Kostenvorteilen bei der Herstellung des Wärmetauschers 1.The heat exchanger 1 can be formed in one piece. Such a one-piece design is formed, in particular, when using the above-described additive manufacturing process, in particular the said laser sintering. In a one-piece design of the heat exchanger 1 eliminates the very costly and therefore costly attaching the individual components of the heat exchanger together. For example, eliminates the cohesive fastening of the individual tubular body 3 at the rib structures 14 , for example by means of a welded or soldered connection, as well as the integral fastening of fluid distributor 9 and fluid collector 10 on the tubular bodies 3 , This leads to considerable cost advantages in the manufacture of the heat exchanger 1 ,

Claims

Heat exchanger ( 1 ), in particular for a waste heat utilization device, - with a plurality of fluid paths ( 2 ) for flowing through a fluid, each fluid path ( 2 ) at least partially from a tubular body ( 3 ) is limited, wherein the tubular body ( 3 ) extend along a tube extension direction (E) and are stacked along a stacking direction (S), 6 ), which between two in the stacking direction (S) adjacent tubular bodies ( 3 ), in each case one gas path ( 7 ) is designed to flow through with a gas along a gas flow direction (G), - wherein in the fluid paths ( 2 ) each adjacent to each other a plurality of separating elements ( 4 ) is arranged, which each fluid path ( 2 ) into a plurality of fluid channels ( 5 ), each extending along a fluid flow direction (F), - wherein the fluid flow direction (F) is orthogonal to the tube body extension direction (E).

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that - the intermediate spaces ( 6 ) for introducing and removing the gas at along the fluid flow direction (F) opposite ends of the heat exchanger ( 1 ) are open.

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the individual separating elements ( 4 ) each have an elongated shape and each have an element length (l) measured along the fluid flow direction (F) that is at least ten times, preferably at least twenty times, most preferably at least fifty times, an element width measured across the fluid flow direction (F) (b) is.

Heat exchanger according to claim 1 to 3, characterized in that - in a respect to the fluid flow direction (F) first fluid path end portion ( 8a ) at least one fluid path ( 2 ), preferably all Fluid paths ( 2 ), no separating elements ( 4 ) are present so that the first fluid path end portion ( 8a ) all through the separating elements ( 4 ) separate fluid channels ( 5 ) fluidly interconnects, and that - in a first fluid path end portion ( 8a ) along the fluid flow direction (F) opposite second fluid path end portion ( 8b ) of the at least one fluid path ( 2 ), preferably all fluid paths ( 2 ), no separating elements ( 4 ) are arranged so that the second fluid path end portion all through the separating elements ( 4 ) separate fluid channels ( 5 ) fluidly interconnects.

Heat exchanger according to claim 4, characterized in that the heat exchanger ( 1 ) at least one fluidically with the first fluid path end portion ( 8a ) connected fluid distributor ( 9 ) for distributing the fluid to those in the fluid paths ( 2 ) formed fluid channels ( 5 ) and at least one fluidically with the second fluid path end portion ( 8b ) associated fluid collector ( 10 ) for collecting the from the fluid channels ( 5 ) leaking fluid.

Heat exchanger according to claim 5, characterized in that - the pipe extension direction (E) parallel to a longitudinal side ( 15 ) of the tubular body ( 3 ), - exactly one fluid distributor ( 9 ) and exactly one fluid collector ( 10 ) which are opposite one another in the tube body extension direction (E) are longitudinal ends ( 13 ) of the tubular body ( 3 ) are arranged.

Heat exchanger according to claim 5, characterized in that - the tubular body extension direction (E) parallel to the longitudinal side ( 15 ) of the tubular body ( 3 ), - two fluid distributors ( 9 ) and two fluid collectors ( 10 ) are present, with at each of the two longitudinal ends ( 13 ) of the tubular body ( 3 ) a fluid distributor ( 9 ) and fluidly separated from this fluid collector ( 10 ) are arranged.

Heat exchanger according to claim 6 or 7, characterized in that the tube extending direction (E) perpendicular to both the stacking direction (S) and to the fluid flow direction (F).

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 1 ) is produced by an additive manufacturing process.

Heat exchanger according to claim 9, characterized in that the additive manufacturing process comprises laser sintering.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 1 ) is integrally formed.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the separating elements ( 4 ) are formed web-like and integral to the respective, the fluid path ( 2 ) limiting tubular body ( 3 ) are formed.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the plurality of separating elements ( 4 ) extends in a straight line along the fluid flow direction (F).

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the plurality of separating elements ( 4 ) at least two element sections ( 16 ), preferably a plurality of element sections ( 16 ), wherein adjacent element sections ( 16 ) are arranged at an angle perpendicular to the stacking direction (S) at an angle, preferably at an obtuse angle to each other.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the separating elements ( 4 ) are formed in the cross section perpendicular to the stacking direction (S) at least partially curved.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that of the plurality of separating elements ( 4 ) for forming turbulence generating elements ( 17 ) each have a plurality of extensions ( 18 ) so that the extensions ( 18 ) in the respective separating element ( 4 ) limited fluid channel ( 5 protrude).

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the extensions ( 18 ) in each case substantially transversely, in particular orthogonally, from the respective separating element ( 4 ) stand out.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the extensions ( 4 ) of a respective separating element ( 4 ) are arranged substantially equidistant from each other.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that at least two in the fluid flow direction (F) adjacent extensions ( 18 ) of a separating element ( 4 ) on opposite sides of this project, so that in the two of this separating element ( 4 ) separate fluid channels ( 5 ) at least one extension ( 18 ) protrudes.

Waste heat utilization device with a heat exchanger ( 1 ) according to any one of the preceding claims.