DE102011076641A1

DE102011076641A1 - Wärmeübertragungsanordnung und Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102011076641A1
Application number: DE102011076641A
Authority: DE
Inventors: Anika Bürkle; Ming Dong; Arnulf Spieth; Georg Wirth; Angela Hettel; Jörg Oesterle
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-28
Also published as: DE102011076641B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Wärmeübertragung zwischen einem zum Führen eines Fluids geeigneten Rohrkörpers (2) und einem damit in Kontakt stehenden Kontaktkörper (3), wobei der Kontaktkörper (3) eine dem Rohrkörper (2) zugewandte Kontaktfläche (4) aufweist, mit welcher der Kontaktkörper (3) mit einer dem Kontaktkörper (3) zugewandten Gegenkontaktfläche (5) des Rohrkörpers (2) in Kontakt steht, wobei der Rohrkörper (2) eine Rohrwand (22) aufweist, die einen Innenraum (21) des Rohrkörpers (2) umschließt und die einen die Gegenkontaktfläche (5) aufweisenden Kontaktbereich (23) aufweist. Eine effiziente Wärmeübertragung innerhalb der Anordnung (1) ergibt sich, wenn die Rohrwand (22) im Kontaktbereich (23) eine größere Steifigkeit aufweist als in daran angrenzenden Wandbereichen (24).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Wärmeübertragung zwischen einem zum Führen eines Fluids geeigneten Rohrkörper und einem damit in Kontakt stehenden Kontaktkörper. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager, der mit wenigstens einer derartigen Anordnung zur Wärmeübertragung ausgestattet ist.
In vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich, zwischen einem Rohrkörper, der ein Fluid führt, und einem damit in Kontakt stehenden Kontaktkörper eine möglichst effektive Wärmeübertragung zu erzielen. Beispielsweise soll Wärme aus dem Fluid in den Kontaktkörper eingeleitet werden oder soll umgekehrt Wärme aus dem Kontaktkörper in das Fluid übertragen und abgeführt werden. Somit kommen derartige Wärmeübertragungsanordnungen zum Kühlen oder zum Heizen eines Kontaktkörpers mittels einer Fluidströmung zur Anwendung. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass es sich beim Kontaktkörper ebenfalls um ein fluidführendes Rohr handelt, so dass über die Anordnung letztlich Wärme von dem einen Fluid in das andere Fluid übertragen werden kann.
Bei modernen Anwendungen kommen thermoelektrische Wandler bzw. thermoelektrische Generatoren zum Einsatz, die eine Temperaturdifferenz in eine Spannungsdifferenz wandeln bzw. einen Wärmestrom in einen elektrischen Strom wandeln. Derartige thermoelektrische Generatoren arbeiten nach dem sogenannten Seebeck-Effekt, der dem umgekehrten Peltier-Effekt entspricht. Dementsprechend funktionieren thermoelektrischen Generatoren analog zu Peltier-Elementen. In einem Wärmeübertrager können nun derartige thermoelektrische Generatoren jeweils zwischen einem Warmrohr, das ein wärmeabgebendes Fluid führt, und einem Kaltrohr angeordnet sein, dass ein wärmeaufnehmendes Fluid führt. Die Temperaturdifferenz zwischen Warmrohr und Kaltrohr liegt dann am jeweiligen Generator bzw. Wandler an und kann in elektrischen Strom gewandelt werden.
Bei all diesen Anwendungen ist es zur Realisierung einer möglichst hohen Effizienz der Wärmeübertragung erforderlich, dass ein flächiger Kontakt zwischen dem jeweiligen Rohrkörper und dem jeweiligen Kontaktkörper vorliegt, und zwar über den gesamten Temperaturbereich, den die Anordnung während eines ordnungsgemäßen Betriebs durchläuft. Um die gewünschte flächige Kontaktierung zu gewährleisten und um den Wärmeübertrag zu verbessern, ist es grundsätzlich möglich, den Rohrkörper und den Kontaktkörper mit Hilfe einer Vorspannkraft aneinander anzudrücken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Rohrkörpern häufig eine Beulung eintritt, wenn die Vorspannkraft zu groß gewählt ist. Durch die Beulung kann der Rohrkörper bereichsweise vom Kontaktkörper abheben, so dass der vormals flächige Kontakt zum Kontaktkörper streifenförmig oder linienförmig wird, was die Wärmeübertragung erheblich beeinträchtigt. Hinzu kommen Wärmedehnungseffekte, bei denen sich der jeweilige Rohrkörper, der jeweilige Kontaktkörper sowie Vorspannmittel zum Erzeugen der Vorspannkraft unterschiedlich ausdehnen können, wodurch es zu einer Veränderung der Vorspannkraft kommen kann, so dass die Beulung des Rohrkörpers beispielsweise erst bei höheren Temperaturen auftritt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Wärmeübertragungsanordnung bzw. für einen Wärmeübertrager eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine besonders effektive Wärmeübertragung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Wärmeübertragungsanordnung, bei welcher der Kontaktkörper eine dem Rohrkörper zugewandte Kontaktfläche aufweist, mit welcher der Kontaktkörper mit einer den Kontaktkörper zugewandten Gegenkontaktfläche des Rohrkörpers in Kontakt steht, und bei welcher der Kontaktkörper eine Rohrwand aufweist, die einen Innenraum des Rohrkörpers umschließt und die einen die Gegenkontaktfläche aufweisenden Kontaktbereich aufweist, die Rohrwand im Kontaktbereich mit einer größeren Steifigkeit auszustatten als in daran angrenzenden Wandbereiche der Rohrwand. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass gegebenenfalls im Rohrkörper auftretende Deformationen aufgrund einer Verspannung der Wärmeübertragungsanordnung bevorzugt in den an dem Kontaktbereich angrenzenden Wandbereichen stattfinden. Die höhere Steifigkeit des Kontaktbereichs schützt somit den Kontaktbereich vor Deformationen, da überhöhte Spannungen durch Verformungen in den angrenzenden Wandbereichen, die gegenüber dem Kontaktbereich eine reduzierte Steifigkeit aufweisen, vorzugsweise elastisch aufgenommen werden. Da sich somit die Gegenkontaktfläche am formstabilen Kontaktbereich befindet, ist die Gefahr reduziert, dass sich die intensive Kontaktierung zwischen Kontaktfläche und Gegenkontaktfläche aufgrund einer überhöhten Verspannung reduziert oder verschlechtert. Somit kann auch für wechselnde Verspannungen zuverlässig eine effektive flächige Kontaktierung zwischen Rohrkörper und Kontaktkörper gewährleistet werden.
Die hier beschriebenen benachbarten Bereiche sind dabei innerhalb eines Querschnitts des jeweiligen Rohrkörpers, der quer zur Längsmittelachse des Rohrkörpers verläuft, in der Umfangsrichtung zueinander benachbart, grenzen also im Profil des Rohrkörpers aneinander an.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Rohrwand im Kontaktbereich eine größere Wandstärke aufweisen als in den daran angrenzenden Wandbereichen. Beispielsweise kann die Wandstärke der Rohrwand im Kontaktbereich zumindest zweimal so groß sein wie die Wandstärke der Rohrwand in den angrenzenden Wandbereichen. Durch die erhöhte Wandstärke ergibt sich automatisch eine erhöhte Steifigkeit, was mit vergleichsweise wenig Aufwand realisierbar ist. Insbesondere wird dadurch die erhöhte Steifigkeit innerhalb der Wandstruktur realisiert.
Bei einer anderen Ausführungsform, die zusätzlich oder alternativ realisierbar ist, kann die Rohrwand im Kontaktbereich aus einem anderen Material bestehen als in den daran angrenzenden Wandbereichen. Beispielsweise können zur Realisierung des Kontaktbereichs und der daran angrenzenden Wandbereiche unterschiedliche Legierungen verwendet werden, die sich durch ihre Federsteifigkeit voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann der Kontaktbereich vergleichsweise steif sein, während die angrenzenden Wandbereiche vergleichsweise biegeweich realisiert sein können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Rohrwand in den an den Kontaktbereich angrenzenden Wandbereichen in einer Vorspannrichtung federelastisch verformbar sein, in welcher eine Vorspannkraft in einem verspannten Zustand der Anordnung den Kontaktkörper gegen den Rohrkörper andrückt. Durch die Federelastizität der an den Kontaktbereich angrenzenden Wandbereichen können die Vorspannkräfte durch elastische Deformation dieser Wandbereiche aufgenommen werden. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass sich die Kontaktbereiche durch die Vorspannung nicht in unerwünschter Weise verformen.
Insbesondere können somit die an den Kontaktbereich angrenzenden Wandbereiche durch Federbereiche gebildet sein, die in der Vorspannrichtung federelastisch verformbar sind. Alternativ dazu kann die Rohrwand in den an den Kontaktbereich angrenzenden Wandbereichen jeweils zumindest einen Federbereich aufweisen, der in einer Vorspannrichtung federelastisch ist, in welcher eine Vorspannkraft in einem verspannten Zustand der Anordnung den Kontaktkörper gegen den Rohrkörper andrückt. Ein derartiger Federbereich kann beispielsweise im Profil nach Art eines Wellbalgs ausgestaltet sein, also ein Wellenprofil besitzen. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Rohrwand aus mehreren Wandabschnitten, welche den jeweiligen Kontaktbereich und den jeweiligen daran angrenzenden Wandbereich bilden, zusammengebaut sein. Hierdurch lassen sich innerhalb der Rohrwand die Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit besonders einfach realisieren, indem unterschiedlich steife Wandabschnitte zur Rohrwand zusammengebaut werden. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Weiterbildung, bei welcher der Rohrkörper als sogenanntes „Tailored Tube“ konzipiert ist. Bei einem Tailored Tube wird der Rohrkörper mit Hilfe eines Tailored Blanks hergestellt, nämlich aus einem Blech, das quer zu seiner Längsrichtung wenigstens zwei Bereiche unterschiedlicher Materialstärke und/oder Materialart aufweist. Aus einem derartigen Tailored Blank wird dann in üblicher Weise ein Rohrkörper geformt, indem der Blechkörper um eine parallel zu seiner Längsachse verlaufende Biegeachse gebogen wird, bis seine Seitenränder als Umfangsenden tangential auf Stoß gebracht sind und im Stoß miteinander verbunden werden. Auf diese Weise lassen sich innerhalb des Rohrkörpers vergleichsweise einfach in der Umfangsrichtung Bereiche mit unterschiedlicher Wandstärke und/oder aus unterschiedlichen Materialien bzw. Werkstoffen herstellen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann im Innenraum des Rohrkörpers eine Stützstruktur angeordnet sein, die sich in einem verspannten Zustand der Anordnung, in dem eine Vorspannkraft den Kontaktkörper in einer Vorspannrichtung gegen den Rohrkörper andrückt, an zwei einander gegenüberliegenden Innenseiten des Rohrkörpers in der Vorspannrichtung abstützt. Während die an den Kontaktbereich angrenzenden Wandbereiche den steifen Kontaktbereich nur entlang seiner Seitenränder abstützen, kann die hier vorgestellte Stützstruktur den Kontaktbereich auch zwischen dessen Seitenrändern abstützen. Hierdurch lässt sich insbesondere eine Durchbiegung des Kontaktbereichs reduzieren. Gleichzeitig wird dadurch die Belastung der an den Kontaktbereich angrenzenden Wandbereiche reduziert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Stützstruktur in der Vorspannrichtung federelastisch ausgestaltet sein. Dementsprechend nimmt die Stützstruktur die Vorspannkraft elastisch auf. Insbesondere können dadurch auch sich ändernde Vorspannkräfte kompensiert werden.
Die Kontaktierung zwischen Kontaktfläche und Gegenkontaktfläche kann unmittelbar bzw. direkt erfolgen. Ebenso ist es möglich, die Kontaktierung mittels einer Wärmeleitschicht mittelbar bzw. indirekt zu realisieren. Dementsprechend kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform zwischen der Kontaktfläche und der Gegenkontaktfläche eine Wärmeleitschicht angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher die Kontaktfläche eine derartige Wärmeleitschicht aufweist, nämlich insbesondere in Form einer Beschichtung. Zusätzlich oder alternativ kann die Gegenkontaktfläche eine derartige Wärmeleitschicht aufweisen, nämlich insbesondere in Form einer Beschichtung. Eine derartige Wärmeleitschicht zeichnet sich durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aus und kann die Wärmeübertragung zwischen Kontaktfläche und Gegenkontaktfläche verbessern. Anstelle einer Beschichtung kann zur Realisierung der Wärmeleitschicht auch eine Paste oder eine Folie aus Wärmeleitmaterial verwendet werden, die zwischen Kontaktfläche und Gegenkontaktfläche angeordnet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform können die Kontaktfläche und die Gegenkontaktfläche eben ausgestaltet sein. Hierdurch vereinfacht sich die Montage, während gleichzeitig die gewünschte optimale flächige Kontaktierung realisierbar ist. Bemerkenswert ist, dass die Steifigkeit des Kontaktbereichs zweckmäßig so gewählt ist, dass seine Gegenkontaktfläche auch im unverspannten Zustand der Wärmeübertragungsanordnung eben ist.
Zweckmäßig handelt es sich beim Kontaktkörper um einen thermoelektrischen Generator. Über den Rohrkörper kann dann – je nach Positionierung der Wärmeübertragungsanordnung – Wärme dem thermoelektrischen Generator zugeführt werden, nämlich an dessen Warmseite, oder Wärme vom thermoelektrischen Generator abgeführt werden, nämlich an dessen Kaltseite. Dementsprechend kann es sich beim Rohrkörper (je nach Positionierung am thermoelektrischen Generator – um ein Abgas einer Brennkraftmaschine führendes Rohr oder um ein Kühlmittel, insbesondere einer Brennkraftmaschine, führendes Rohr handeln.
Insbesondere ist es daher auch möglich, am selben Kontaktkörper zwei derartige Wärmeübertragungsanordnungen zu realisieren, nämlich an zwei voneinander abgewandten Kontaktflächen.
Die hier vorgestellte Wärmeübertragungsanordnung kann somit insbesondere in einem Wärmeübertrager für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden, um einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager herzustellen. Ein derartiger Wärmeübertrager umfasst zumindest ein Warmrohr zum Führen eines wärmeabgehenden Fluids, wie zum Beispiel Abgas, zumindest ein Kaltrohr zum Führen eines wärmeaufnehmenden Fluids, zum Beispiel ein Kühlmittel, und zumindest einen thermoelektrischen Generator zum Umwandeln einer Temperaturdifferenz in elektrische Spannung. Dabei ist der jeweilige thermoelektrische Generator jeweils zwischen einem Kaltrohr und einem Warmrohr angeordnet und insbesondere mit diesen verspannt. Besagte Anordnung des jeweiligen thermoelektrischen Generators mit dem jeweiligen Rohr ist dabei als erfindungsgemäße Wärmeübertragungsanordnung ausgestaltet, wobei dann der Rohrkörper der Wärmeübertragungsanordnung durch das jeweilige Rohr, also durch ein Warmrohr oder durch ein Kaltrohr gebildet ist, während der Kontaktkörper der Wärmeübertragungsanordnung durch den jeweiligen thermoelektrischen Generator gebildet ist. In diesem Fall besitzt der Kontaktkörper somit zwei voneinander abgewandte Kontaktflächen. Sofern innerhalb des Wärmeübertragers ein Stapel aus einer Abfolge von mehreren Warmrohren und Kaltrohren mit zwischengeschalteten thermoelektrischen Generatoren vorgesehen ist, besitzt auch das jeweilige Rohr zwei voneinander abgewandte Gegenkontaktflächen und dementsprechend zwei voneinander abgewandte Kontaktbereiche, die über zwei dem Profil bzw. im Querschnitt, also in Umfangsrichtung dazwischen angeordnete angrenzende Wandbereiche miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, in diesem Fall verbindet der jeweilige angrenzende Wandbereich die Seitenränder der beiden Kontaktbereiche miteinander.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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 Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 einen stark vereinfachten Querschnitt durch eine Wärmeübertragungsanordnung im verspannten Zustand,
2 einen stark vereinfachten Querschnitt durch einen Wärmeübertrager,
3 einen Querschnitt wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
4 einen Querschnitt wie in 3, jedoch im unverspannten Zustand,
5 einen Querschnitt wie in 3, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform.
Entsprechend 1 umfasst eine Anordnung 1 zur Wärmeübertragung, die im Folgenden auch als Wärmeübertragungsanordnung 1 bezeichnet wird, einen Rohrkörper 2 und einen Kontaktkörper 3. Der Rohrkörper 2 dient zum Führen eines Fluids, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder um ein Gas handeln kann. Der Kontaktkörper 3 ist bevorzugt ein thermoelektrischer Wandler oder thermoelektrischer Generator 15. Grundsätzlich kann es sich hierbei jedoch auch um ein anderes Bauteil handeln, von dem Wärme abgeführt oder dem Wärme zugeführt werden muss. Die Anordnung 1 dient zur Wärmeübertragung zwischen dem Rohrkörper 2 und dem Kontaktkörper 3, der hierzu mit dem Rohrkörper 2 in Kontakt steht, und zwar entweder direkt wie in den 1 und 3 bis 5 oder indirekt wie in 2, nämlich über eine Wärmeleitschicht 19. Rohrkörper 2 und Kontaktkörper 3 sind separate Bauteile, die insbesondere lose aneinander anliegen, also nicht aneinander befestigt sind. Es ist jedoch grundsätzlich auch eine Ausführungsform möglich, bei der Rohrkörper 2 und Kontaktkörper 3 aneinander befestigt sein können, zum Beispiel durch Verklebung, Verlötung, Verschweißung.
Der Kontaktkörper 3 weist eine dem Rohrkörper 2 zugewandte Kontaktfläche 4 auf. Der Rohrkörper 2 weist eine dem Kontaktkörper 3 zugewandte Gegenkontaktfläche 5 auf. Der Kontaktkörper 3 steht mit seiner Kontaktfläche 4 mit der Gegenkontaktfläche 5 des Rohrkörpers 2 in Kontakt. In dem in 1 gezeigten verspannten Zustand der Anordnung 1 wirkt eine durch Pfeile angedeutete Vorspannkraft 6, die den Kontaktkörper 3 in einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Vorspannrichtung 7 gegen den Rohrkörper 2 andrückt. Hierdurch wird eine flächige Kontaktierung zwischen Kontaktfläche 4 und Gegenkontaktfläche 5 realisiert.
In einem Innenraum 21 des Rohrkörpers 2 kann eine Stützstruktur 8 angeordnet sein. Im verspannten Zustand gemäß 1 stützt sich die Stützstruktur 8 an zwei Innenseiten 9 und 10 des Rohrkörpers 2, die einander gegenüberliegen, in der Vorspannrichtung 7 ab. Eine effektive Abstützung bzw. Kraftübertragung kann zwischen den einander gegenüberliegenden Innenseiten 9, 10 realisiert werden.
Die Kontaktfläche 4 des Kontaktkörpers 3 kann im verspannten und im unverspannten Zustand im Querschnitt des Kontaktkörpers 3 eben sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Gegenkontaktfläche 5 des Rohrkörpers 2 im verspannten Zustand und insbesondere auch im unverspannten Zustand im Querschnitt des Rohrkörpers 2 eben sein. Im verspannten Zustand bzw. im montierten Zustand liegen die Kontaktfläche 4 und die Gegenkontaktfläche 5 im Querschnitt der Anordnung 1 bzw. im Querschnitt der Körper 2, 3 in einer Ebene 11 flächig aneinander an. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellbarkeit. Gleichzeitig wird eine kompakte Bauform realisiert.
Gemäß 2 umfasst ein Wärmeübertrager 12, der bei einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zur Anwendung kommen kann, zumindest ein Warmrohr 13, das zum Führen eines wärmeabgebenden Fluids dient, sowie zumindest ein Kaltrohr 14, das zum Führen eines wärmeaufnehmenden Fluids dient. Beispielsweise können die Warmrohre 13 Abgase führen, die in der Abgasanlage von der Brennkraftmaschine abgeführt werden. Im Unterschied dazu können die Kaltrohre 14 Kühlmittel eines Kühlkreises der Brennkraftmaschine führen, der beispielsweise zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums genutzt werden kann.
Ferner umfasst der hier gezeigte Wärmeübertrager 12 zumindest einen thermoelektrischen Generator 15, mit dessen Hilfe eine Temperaturdifferenz in eine elektrische Spannung gewandelt werden kann. Der jeweilige thermoelektrische Generator 15 ist jeweils zwischen einem Kaltrohr 14 und einem Warmrohr 13 angeordnet und mit diesem verspannt. Eine entsprechende Vorspannkraft ist wieder durch Pfeile 6 angedeutet, ebenso wie die zugehörige Vorspannrichtung 7 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist.
In diesem Wärmeübertrager 12 bildet nun der jeweilige thermoelektrische Generator 15 mit dem jeweiligen Warmrohr 13 bzw. mit dem jeweiligen Kaltrohr 14 eine Wärmeübertragungsanordnung 1, die zuvor mit Bezug auf 1 näher erläutert worden ist. Geschweifte Klammern kennzeichnen dabei in 2 die realisierten Wärmeübertragungsanordnungen 1. Innerhalb der jeweiligen Wärmeübertragungsanordnung 1 bildet der thermoelektrische Generator 15 jeweils den Kontaktkörper 3, während das jeweilige Rohr, also entweder das Warmrohr 13 oder das Kaltrohr 14, den zugehörigen Rohrkörper 2 der Anordnung 1 bildet. Analog zu der in 1 gezeigten Ausführungsform ist im jeweiligen Rohr 13, 14 ebenfalls jeweils eine Stützstruktur 8 vorgesehen.
Im gezeigten Beispiel sind drei Kaltrohre 14 und zwei Warmrohre 13 vorgesehen, so dass an entgegengesetzten Enden des Wärmeübertragers 12 hier oben und unten, je ein Kaltrohr 14 vorhanden ist. Dies ist im Hinblick auf die Energieübertragung auf die elektrothermischen Generatoren 15 von Vorteil. Grundsätzlich kann jedes Warmrohr 13 und jedes Kaltrohr 14 einen Rohrkörper 2 der Anordnung 1 bilden. Es ist jedoch eine Ausführungsform möglich, bei der nur die Kaltrohre 14 als Rohrkörper 2 der Anordnung 1 ausgestaltet sind, während die Warmrohre 13 herkömmlich konfiguriert sein können. Alternativ ist es ebenso möglich, nur die Warmrohre 13 als Rohrkörper 2 der Anordnung 1 auszugestalten, während die Kaltrohre 14 herkömmlich konfiguriert sind.
Im gezeigten Beispiel der 2 sind sowohl die Kaltrohre 14 als auch die Warmrohre 13 Rohrkörper 2 im Sinne der Anordnung 1, wobei die dazwischen angeordneten thermoelektrischen Generatoren 15 jeweils einen Kontaktkörper 3 im Sinne der Anordnung 1 bilden. Da sich hier Warmrohre 13 und Kaltrohre 14 mit dazwischen angeordnetem thermoelektrischen Generator 15 abwechseln, bildet der jeweilige thermoelektrische Generator 15 gleichzeitig in zwei Anordnungen 1 den Kontaktkörper 3. Dementsprechend sind in 2 auf der rechten Seite vier Anordnungen 1 mit oben liegendem Rohrkörper 2 und unten liegenden Kontaktkörper 3 erkennbar, während in 2 links vier Anordnungen 1 mit oben liegendem Kontaktkörper 3 und unten liegendem Rohrkörper 2 erkennbar sind.
Zur Realisierung der Verspannung bzw. zum Einleiten der Vorspannkraft 6 weist der Wärmeübertrager 12 ein Gehäuse 16 auf, das im Beispiel zwei im Profil U-förmige Gehäuseteile 17 und 18 besitzt, die in der Vorspannrichtung 7 ineinander gesteckt sind, so dass nun beispielsweise mittels eines Spannbands oder einer Schweißverbindung oder einer Schraubverbindung oder dergleichen die Vorspannkraft 6 in die Gehäuseteile 17, 18 und über diese auf die Anordnungen 1 aufgebracht werden kann. Es ist klar, dass hier grundsätzlich auch beliebige andere geeignete Profile bzw. Formen für die Gehäuseteile 17, 18 verwendet werden können, wie zum Beispiel C-förmige, I-förmige, L-förmige und T-förmige Gehäuseteile 17, 18, solange das jeweilige Gehäuse 16 die gewünschte interne Vorspannung bzw. Verspannung zum Erzeugen der Vorspannkraft 6 realisieren kann.
Die Anordnungen 1, die im Wärmeübertrager 12 der 2 verwendet werden, zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass zwischen dem jeweiligen Rohr 13, 14 bzw. dem Rohrkörper 2 und dem jeweiligen thermoelektrischen Generator 15 bzw. dem Kontaktkörper 3 eine Wärmeleitschicht 19 angeordnet ist. Somit liegen Kontaktkörper 3 und Rohrkörper 2 in diesem Fall nicht direkt, sondern indirekt, nämlich über die jeweilige Wärmeleitschicht 19 aneinander an.
Generell kann bei allen Anordnungen 1 eine derartige Wärmeleitschicht 19 zwischen der Kontaktfläche 4 und der Gegenkontaktfläche 5 angeordnet sein. In diesem Fall kann die Wärmeleitschicht 19 dann als separates Bauteil, z.B. eine Folie, zwischen Kontaktkörper 3 und Rohrkörper 2 angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, die Wärmeleitschicht 19, z.B. in Form einer Beschichtung, als Bestandteil des Rohrkörpers 2 an dessen Gegenkontaktfläche 5 anzubringen. Zusätzlich oder alternativ kann eine solche Wärmeleitschicht 19, z.B. in Form einer Beschichtung, als Bestandteil des Kontaktkörpers 3 an dessen Kontaktfläche 4 angebracht sein. Soweit die Wärmeleitschicht 19 einen Bestandteil des Kontaktkörpers 3 oder der Kontaktfläche 4 bildet bzw. einen Bestandteil des Rohrkörpers 2 oder der Gegenkontaktfläche 5 bildet, erfolgt die Kontaktierung zwischen Rohrkörper 2 und Kontaktkörper 3 wieder direkt.
Sofern die jeweilige Wärmeleitschicht 19 als separates Element oder Bauteil realisiert ist, kann sie zum Beispiel aus einer Kohlenstofffolie oder aus einer Graphitfolie hergestellt sein oder bestehen, die zum Beispiel auf einer Glimmerbasis beruht. Ebenso kann die jeweilige Wärmeleitschicht 19 auf einer Silikonbasis beruhen. Alternativ sind auch Wärmeleitschichten 19 aus Kaptonfolien oder Aramidgewebe denkbar. Geeignet zur Herstellung einer solchen Wärmeleitschicht 19 ist grundsätzlich jedes Material mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit. Bevorzugt soll das jeweilige Material der Wärmeleitschicht 19 eine vergleichsweise hohe Nachgiebigkeit besitzen, beispielsweise um Fertigungstoleranzen ausgleichen zu können, was den flächigen Kontakt und dementsprechend den Wärmeübergang zwischen den über die Wärmeleitschicht 19 miteinander kontaktierten Flächen 4, 5 verbessert.
Die Stützstruktur 8 ist den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen aus einem Bahnenmaterial 20 hergestellt, das beispielsweise wellenförmig gefaltet bzw. gewellt sein kann. Die einzelnen Wellen oder Falten des Bahnenmaterials 20 erstrecken sich dabei mit ihrer Erstreckungsrichtung bzw. Längsrichtung parallel zur Längsrichtung des Rohrkörpers 2. Besagte Längsrichtung steht in dem Querschnitt senkrecht auf der Querschnittsebene, also hier auch senkrecht auf der Zeichnungsebene.
Entsprechend den 1 bis 5 besitzt der jeweilige Rohrkörper 2 in den gezeigten Querschnitten eine Rohrwand 22, die den Innenraum 21 des Rohrkörpers 2 in der Umfangsrichtung umschließt. Diese Rohrwand 22 weist für jede Gegenkontaktfläche 5 einen Kontaktbereich 23 auf. Der jeweilige Kontaktbereich 23 erstreckt sich dabei in der Umfangsrichtung. Sofern die Anordnung 1 wie in 2 gezeigt verbaut wird, besitzt die Rohrwand 22 zwei derartige Kontaktbereiche 23, die an einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Innerhalb des Querschnitts liegen sich die beiden Kontaktbereiche 23 somit diametral gegenüber. An die Kontaktbereiche 23 grenzen innerhalb der Rohrwand 22 Wandbereiche 24 an, die sich in der Rohrwand 22 ebenfalls in der Umfangsrichtung erstrecken. Da hier genau zwei Kontaktbereiche 23 vorgesehen sind, sind auch genau zwei daran angrenzende Wandbereiche 24 vorgesehen, die im Querschnitt ebenfalls einander diametral gegenüberliegen. Besagte Wandbereiche 24 grenzen dabei in der Umfangsrichtung an die Kontaktbereiche 23 an und verbinden die Kontaktbereiche 23 miteinander.
Charakteristisch für alle hier gezeigten Ausführungsformen ist nun, dass die Rohrwand 22 im jeweiligen Kontaktbereich 23 eine größere Steifigkeit aufweist als in den jeweiligen angrenzenden Wandbereichen 24. Dies kann beispielsweise wie in den 1 und 2 angedeutet dadurch realisiert werden, dass die Rohrwand 22 im jeweiligen Kontaktbereich 23 aus einem anderen, nämlich steiferen Werkstoff hergestellt ist als die angrenzenden Wandbereiche 24. Im Unterschied dazu zeigen die 3 bis 5 Ausführungsformen, bei welchen die Rohrwand 22 im jeweiligen Kontaktbereich 23 eine Wandstärke 25 aufweist, die größer ist als eine Wandstärke 26 der Rohrwand 22 im jeweiligen angrenzenden Wandbereich 24. Beispielsweise sind die Wandstärken 25 der beiden Kontaktbereiche 23 hier mindestens doppelt so groß wie die Wandstärken 26 der beiden Wandbereiche 24.
Es ist klar, dass unterschiedliche Wandstärken 25, 26 in den Kontaktbereichen 23 und in den Wandbereichen 24 auch mit den unterschiedlichen Materialien in den Kontaktbereichen 23 und in den Wandbereichen 24 kombinierbar sind, um die gewünschte Versteifung der Kontaktbereiche 23 gegenüber den Wandbereichen 24 zu erzielen.
Der jeweilige Rohrkörper 2 kann beispielsweise als Tailored Tube konzipiert sein. Die Rohrwand 22 ist dann zweckmäßig aus mehreren Wandabschnitten zusammengebaut, die den jeweiligen Kontaktbereich 23 und den jeweiligen daran angrenzenden Wandbereich 24 bilden. Im Beispiel umfasst die Rohrwand 22 somit in der Umfangsrichtung einander abwechselnd zwei Kontaktbereiche 23 und zwei Wandbereiche 24, also insgesamt vier Wandabschnitte. Diese Wandabschnitte, also die Kontaktbereiche 23 und die Wandbereiche 24 können über Schweißnähte 27 aneinander befestigt sein bzw. zur in Umfangsrichtung geschlossen umlaufenden Rohrwand 22 gefügt sein.
Bei der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist die Rohrwand 22 in den angrenzenden Wandbereichen 24 in der Vorspannrichtung 7 federelastisch verformbar konzipiert. Dementsprechend zeigt 3 den verspannten Zustand bei anliegenden Vorspannkräften 6, während 4 einen unverspannten Zustand zeigt, bei dem die Vorspannkräfte 6 fehlen. Erkennbar deformieren sich die angrenzenden Wandbereiche 24 beim Aufbringen der Vorspannkräfte 6. Beispielsweise ist ein Biegeradius 28 im unverspannten Zustand gemäß 4 deutlich größer als im verspannten Zustand gemäß 3.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist in die an die Kontaktbereiche 23 angrenzenden Wandbereiche 24 jeweils ein Federbereich 29 integriert, der in der Vorspannrichtung 7 federelastisch ist. Beispielsweise ist der Federbereich 29 hier durch eine Wellenstruktur nach Art eines Wellbalgs geformt.
Wie bereits mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert, kann im Innenraum 21 des Rohrkörpers 2 eine Stützstruktur 8 angeordnet sein. Bei der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist diese Stützstruktur 8 mit Hilfe von wenigstens zwei Federelementen 30 realisiert. Es ist klar, dass bei einer anderen Ausführungsform auch mehr als zwei Federelemente 30 vorgesehen sein können. Ebenso kann auch ein einziges Federelement 30 ausreichen, um die Stützstruktur 8 zu realisieren. Grundsätzlich ist auch eine andere Gestaltung der Stützstruktur 8 möglich. Zweckmäßig ist die Stützstruktur 8 in der Vorspannrichtung 7 federelastisch. Während die an die Kontaktbereiche 23 angrenzenden Wandbereiche 24 Seitenränder 31 der Kontaktbereiche 23 miteinander verbinden und auch in der Vorspannrichtung 7 aneinander abstützen, kann die Stützstruktur 8 zwischen den Seitenränder 31 eine Abstützung der beiden Kontaktbereiche 23 in der Vorspannrichtung 7 bewirken.
Durch die hohe Steifigkeit der Kontaktbereiche 23 kann die Gegenkontaktfläche 5 auch im unverspannten Zustand eben ausgestaltet sein, was in 4 erkennbar ist.

Claims

Anordnung zur Wärmeübertragung zwischen einem zum Führen eines Fluids geeigneten Rohrkörper (2) und einem damit in Kontakt stehenden Kontaktkörper (3), – wobei der Kontaktkörper (3) eine dem Rohrkörper (2) zugewandte Kontaktfläche (4) aufweist, mit welcher der Kontaktkörper (3) mit einer dem Kontaktkörper (3) zugewandten Gegenkontaktfläche (5) des Rohrkörpers (2) in Kontakt steht, – wobei der Rohrkörper (2) eine Rohrwand (22) aufweist, die einen Innenraum (21) des Rohrkörpers (2) umschließt und die einen die Gegenkontaktfläche (5) aufweisenden Kontaktbereich (23) aufweist, – wobei die Rohrwand (22) im Kontaktbereich (23) eine größere Steifigkeit aufweist als in daran angrenzenden Wandbereichen (24).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand (22) im Kontaktbereich (23) eine größere Wandstärke (25) aufweist als in den daran angrenzenden Wandbereichen (24).
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand (22) im Kontaktbereich (23) aus einem anderen Material besteht als in den daran angrenzenden Wandbereichen (24).
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand (22) in den an den Kontaktbereich (23) angrenzenden Wandbereichen (24) in einer Vorspannrichtung (7) federelastisch verformbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand (22) in den an Kontaktbereich (23) angrenzenden Wandbereichen (24) jeweils zumindest einen Federbereich (29) aufweist, der in einer Vorspannrichtung (7) federelastisch ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand (22) aus mehreren Wandabschnitten, welche den jeweiligen Kontaktbereich (23) und den jeweiligen daran angrenzenden Wandbereich (24) bilden, zusammengebaut ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (21) des Rohrkörpers (2) eine Stützstruktur (8) angeordnet ist, die sich in einem verspannten Zustand der Anordnung (1), in dem eine Vorspannkraft (6) den Kontaktkörper (3) in einer Vorspannrichtung (7) gegen den Rohrkörper (2) andrückt, an zwei einander gegenüberliegenden Innenseiten (9, 10) des Rohrkörpers (2) in der Vorspannrichtung (7) abstützt.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (8) in der Vorspannrichtung (7) federelastisch ausgestaltet ist, wobei die Stützstruktur (8) insbesondere wenigstens ein Federelement (30) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen der Kontaktfläche (4) und der Gegenkontaktfläche (5) eine Wärmeleitschicht (19) angeordnet ist, oder – dass die Kontaktfläche (4) und/oder die Gegenkontaktfläche (5) eine Wärmeleitschicht (19) aufweist, insbesondere integral in Form einer Beschichtung.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (4) und die Gegenkontaktfläche (5) eben sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kontaktkörper (2) ein thermoelektrischer Generator (15) ist, und/oder – dass der Rohrkörper (2) als Abgas einer Brennkraftmaschine führendes Rohr (13) oder als ein Kühlmittel, insbesondere eines Kühlkreises einer Brennkraftmaschine, führendes Rohr (14) ausgestaltet ist.
Wärmeübertrager für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kraftfahrzeugs, – mit mindestens einem Warmrohr (13) zum Führen eines wärmeabgebenden Fluids, – mit mindestens einem Kaltrohr (14) zum Führen eines wärmeaufnehmenden Fluids, – mit mindestens einem thermoelektrischen Generator (15) zum Wandeln einer Temperaturdifferenz in elektrische Spannung, – wobei der jeweilige thermoelektrische Generator (15) jeweils zwischen einem Kaltrohr (14) und einem Warmrohr (13) angeordnet ist und mit diesem verspannt ist, – wobei der jeweilige thermoelektrische Generator (15) mit zumindest einem solchen Rohr (13, 14) als Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgestaltet ist, – wobei der Rohrkörper (2) der Anordnung (1) durch das jeweilige Rohr (13, 14) gebildet ist und der Kontaktkörper (3) der Anordnung (1) durch den jeweiligen thermoelektrischen Generator (15) gebildet ist.