DE102016223703A1

DE102016223703A1 - Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016223703A1
Application number: DE102016223703.9A
Authority: DE
Inventors: Fahmi Ben Ahmed; Klaus Luz; Matthias Ganz; Holger Schroth
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-05-30
Also published as: US20180149112A1; CN108120317A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1),mit einem sich entlang einer Längsrichtung (L) erstreckenden Außenrohr (2) zum Durchströmen mit Heißgas (H), welches einen Außenrohr-Innenraum (3) begrenzt und in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) zwei Außenrohr-Rohrwände (31a, 31b) aufweist,mit einem im Außenrohr-Innenraum (3) angeordneten, und sich entlang der Längsrichtung (L) erstreckenden Innenrohr (4), welches an einem (ersten) Längsende (26a) geschlossen ausgebildet ist und einen Innenrohr-Innenraum (5) begrenzt und in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) zwei Innenrohr-Rohrwände (33a, 33b) aufweist,wobei in den Innenrohr-Rohrwänden (33a, 33b) eine Mehrzahl von Durchbrüchen (7) vorhanden ist, mittels welcher der Innenrohr-Innenraum (5) fluidisch mit dem Außenrohr-Innenraum (3) kommuniziert,mit einer Mehrzahl von auf einer Außenseite (8) der Außenrohr-Rohrwände (31a, 31b) angeordneten thermoelektrischen Modulen (10), die jeweils eine dem Außenrohr (2) zugewandte Heißseite (11) und eine vom Außenrohr (2) abgewandte Kaltseite (12) aufweisen,mit zumindest einem Kühlmittelrohr (13) zum Durchströmen mit einem Kühlmittel (K), welches an der Kaltseite (12) zumindest eines thermoelektrischen Moduls (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaswärmetauscher, für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Abgasanlage und einen solchen, mit der Abgasanlage zusammenwirkenden Wärmetauscher.
Wärmetauscher kommen in Verbindung mit Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen zum Einsatz, um die im Abgas enthaltene Wärme nutzbar zu machen. Hierfür können im Wärmetauscher thermoelektrische Module mit thermoelektrischen Elementen vorgesehen werden. Solche thermoelektrische Elemente bestehen aus thermoelektrischen Halbleitermaterialien, die eine Temperaturdifferenz in eine Potentialdifferenz, also in eine elektrische Spannung wandeln und umgekehrt. Auf diese Weise kann vom Wärmetauscher Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Physikalisch beruhen die thermoelektrischen Module auf dem Seebeck-Effekt, wenn sie Wärme in elektrische Energie wandeln. Innerhalb eines thermoelektrischen Moduls sind p-dotierte und n-dotierte thermoelektrische Elemente miteinander verschaltet. Üblicherweise werden mehrere derartige thermoelektrische Module zu einem thermoelektrischen Generator zusammengeschaltet, der aus einer Temperaturdifferenz in Verbindung mit einem entsprechenden Wärmestrom elektrische Energie bzw. eine elektrische Spannung generieren kann. Im Wärmetauscher wird die zum Erzeugen von elektrischer Energie erforderliche Temperaturdifferenz zwischen den Heißseiten und den Kaltseiten der thermoelektrischen Module erzeugt, indem das Heißgas mit den Heißseiten und ein Kühlmittel mit gegenüber dem Heißgas geringerer Temperatur mit den Kaltseiten der thermoelektrische Module in thermische Wechselwirkung gebracht wird. Dies gelingt, in dem die Heiß- und Kaltseiten der thermoelektrischen Module in geeigneter Weise in dem vom Heißgas und vom Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Wärmetauscher der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich durch eine verbesserte Effizienz auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, thermoelektrische Module mit thermoelektrischen Elementen in einem Wärmetauscher derart anzuordnen, dass das durch den Wärmetauscher geführte Heißgas in Form eines Prallstrahls auf die Heißseiten der thermoelektrischen Module trifft. Dies hat zur Folge, dass dem Heißgas eine besonders hohe Menge an Wärme entzogen wird, die von den thermoelektrische Modulen, dem Wirkprinzip eines thermoelektrischen Generators folgend, in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Damit geht eine verbesserte Effizienz des Wärmetauschers einher, was sich insbesondere als vorteilhaft erweist, wenn dieser als Abgaswärmetauscher betrieben wird, um die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltene Energie nutzbar zu machen.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher, der vorzugsweise als Abgaswärmetauscher eingesetzt werden kann, umfasst ein sich entlang einer Längsrichtung erstreckendes Außenrohr zum Durchströmen mit Heißgas, welches einen Außenrohr-Innenraum begrenzt und hierfür in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung zwei Außenrohr-Rohrwände umfasst. Im Außenrohr-Innenraum ist, vorzugsweise koaxial zum Außenrohr, ein sich entlang der Längsrichtung erstreckendes Innenrohr zum Durchströmen mit dem Heißgas angeordnet, welches einen Innenrohr-Innenraum begrenzt. Das Innenrohr ist an einem Längsende geschlossen ausgebildet und umfasst in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung zwei Innenrohr-Rohrwände. Als erfindungswesentlich ist eine Mehrzahl von Durchbrüchen anzusehen, die in den Innenrohr-Rohrwänden vorhanden sind. Mittels besagter Durchbrüche kommuniziert der Innenrohr-Innenraum fluidisch mit dem Außenrohr-Innenraum. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst außerdem eine Mehrzahl von auf einer Außenseite der Außenrohr-Rohrwände angeordneten thermoelektrischen Modulen. Die thermoelektrischen Module weisen jeweils eine dem Außenrohr zugewandte Heißseite und eine vom Außenrohr abgewandte Kaltseite auf. Außerdem umfasst der Wärmetauscher zumindest ein Kühlmittelrohr zum Durchströmen mit einem Kühlmittel, welches an der Kaltseite zumindest eines thermoelektrischen Moduls angeordnet ist.
Mittels der vorangehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausbildung bzw. Anordnung von Außenrohr und Innenrohr sowie der Außenrohr- bzw. Innenrohr-Rohrwände im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung wird erreicht, dass das durch das Innenrohr strömende Heißgas nur in einer Richtung quer zur Längsrichtung durch die in den Innenrohr-Rohrwänden vorhandenen Durchbrüche in das Außenrohr gelangen kann und dort auf die Außenrohr-Rohrwände trifft. Dabei wird im Innenrohr im Heißgas ein vorteilhafter, hoher Staudruck erzeugt. In der Folge wird eine hohe Prallwirkung des Heißgases erzielt, wenn dieses nach dem Passieren der Durchbrüche auf die Außenrohr-Rohrwände des Außenrohrs trifft, auf welchen außenseitig die Heißseiten der thermoelektrische Module angeordnet sind. Auf diese Weise wird die gewünschte, verbesserte Wechselwirkung des Heißgases mit den thermoelektrischen Modulen erreicht, so dass dem Heißgas eine besonders große Wärmemenge entzogen wird. In der Folge wird von den als thermoelektrischen Generatoren wirkenden thermoelektrischen Modulen entsprechend mehr elektrische Energie erzeugt, was wiederum den Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Außenrohr als Flachrohr ausgebildet. Im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung liegen sich die beiden Außenrohr-Rohrwände gegenüber und bilden die beiden Breitseiten des Flachrohrs aus. Bei dieser Variante sind wenigstens ein erstes thermoelektrisches Modul an der ersten Außenrohr-Rohrwand und wenigstens ein zweites thermoelektrisches Element an der zweiten Außenrohr-Rohrwand angeordnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Innenrohr als Flachrohr ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform liegen sich die beiden Innenrohr-Rohrwände im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung gegenüber und bilden die beiden Breitseiten des Flachrohrs aus. Die Durchbrüche sind dabei in der ersten Innenwand-Rohrwand und in der zweiten Innenwand-Rohrwand angeordnet. Auch diese Variante unterstützt die Realisierung des Wärmetauschers in Flachbauweise, insbesondere wenn auch das Außenrohr als Flachrohr realisiert ist.
Zweckmäßig kann in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung die erste Außenrohr-Rohrwand der ersten Innenrohr-Rohrwand zugewandt sein und die zweite Außenrohr-Rohrwand der zweiten Innenrohr-Rohrwand zugewandt sein. Auf diese Weise kann die Bauhöhe des Wärmetauschers besonders gering gehalten werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind zumindest ein erstes und ein zumindest zweites Kühlmittelrohr vorhanden. Bei dieser Weiterbildung ist das zumindest eine erste Kühlmittelrohr an der Kaltseite des zumindest einen ersten thermoelektrischen Moduls angeordnet. Das zumindest eine zweite Kühlmittelrohr ist an der Kaltseite des zumindest einen zweiten thermoelektrischen Moduls angeordnet.
Dies erlaubt einen gleichmäßigen thermischen Kontakt des durch die Kühlrohre strömenden Kühlmittels mit den thermoelektrischen Modulen des Wärmetauschers.
Besonders bevorzugt ist das Außenrohr entlang einer Stapelrichtung, die quer zur Längsrichtung des Außenrohrs, zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelrohr angeordnet. Auf diese Weise kann der in Stapelrichtung für den Wärmetauscher erforderliche Bauraum gering gehalten werden.
Besonders bevorzugt ist das zumindest eine, insbesondere erste und/oder zweite, Kühlmittelrohr als Flachrohr ausgebildet, dessen Breitseiten im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung den (ersten oder zweiten) thermoelektrischen Modulen zugewandt ist. Diese Ausführungsform benötigt entlang einer Richtung des Außenrohrs quer zu dessen Längsrichtung besonders wenig Bauraum. Gleichzeitig lässt sich mittels solcher Flachrohre ein flächiger Kontakt der Kühlmittelrohre mit den Kaltseiten der thermoelektrische Module erzielen, wodurch wiederum eine hohe Effizienz des Wärmetauschers erreicht werden kann.
Zweckmäßig kann das erste und/oder zweite Kühlmittelrohr jeweils eine U-förmige Geometrie mit einer Basis und einem ersten und einem zweiten Schenkel aufweisen. Dabei erstrecken sich die beiden Schenkel entlang der Längsrichtung des Außenrohrs. Auf diese Weise können Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass am selben Längsende des Außenrohrs angeordnet werden, was bei bestimmten Bauraumsituationen von erheblichem Vorteil sein kann.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist an einem ersten Längsende des Außenrohrs ein Kühlmittelverteiler vorhanden. Dieser kommuniziert fluidisch mit einem am ersten Schenkel vorhandenen Kühlmitteleinlass des ersten und des zweiten Kühlmittelrohrs. Alternativ oder zusätzlich ist bei dieser Weiterbildung an dem ersten Längsende des Außenrohrs ein Kühlmittelsammler vorhanden. Dieser kommuniziert fluidisch mit einem am zweiten Schenkel vorhandenen Kühlmitteleinlass des ersten und des zweiten Kühlmittelrohrs. Auf diese Weise können Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass an unterschiedlichen Längsenden des Außenrohrs angeordnet werden, was bei bestimmten Bauraumsituationen von Vorteil sein kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Außenrohr an seinen beiden entlang der Längsrichtung gegenüberliegenden Längsenden geschlossen ausgebildet. Bei einer dazu alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist das Außenrohr an einem der beiden Längsende offen und an dem anderen der beiden Längsende geschlossen ausgebildet. Beide Varianten erlauben eine vorteilhafte Ausleitung des Heißgases aus dem Wärmetauscher.
Zweckmäßig kann an einem dem ersten Längsende gegenüberliegenden, zweiten Längsende des Innenrohrs an dieses ein Gaseinlass zum Einleiten des Heißgases in das Innenrohr anschließen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das das Außenrohr ausbildende Flachrohr im dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung zwei Schmalseiten auf. Bei dieser Ausführungsform beträgt das Seitenverhältnis von einer Breitseite zu einer Schmalseite mehr als 1, vorzugsweise mindestens 2, höchst vorzugsweise mindestens 4.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das das Innenrohr ausbildende Flachrohr im dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung zwei Schmalseiten auf. Bei dieser Ausführungsform beträgt das Seitenverhältnis einer Breitseite zu einer Schmalseite mehr als 1, vorzugsweise mindestens 2, höchst vorzugsweise mindestens 6.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Wärmetauscher-Anordnung mit zumindest zwei aufeinander angeordneten Wärmetauschern, die vorzugsweise aufeinander gestapelt sein können. Die Wärmetauscher der Wärmetauscher-Anordnung kommunizieren über einen gemeinsamen Gasauslass fluidisch miteinander. Die vorangehend erläuterten Vorteile des Wärmetauschers übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Wärmetauscher-Anordnung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und einem vorangehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Wärmetauschers übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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 Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel eines als Abgaswärmetauscher ausgestalteten Wärmetauschers in einem Längsschnitt,
2 den Wärmetauscher der 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Wärmetauscher,
3 einen Schnitt durch ein U-förmiges Kühlmittelrohr des Wärmetauschers,
4 eine Variante des Wärmetauschers gemäß den 1 und 2, bei welcher sich die Kühlmittelrohre nicht wie beim Beispiel der 1 in Längsrichtung, sondern quer zu dieser erstecken.

Die 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines als Abgaswärmetauscher ausgestalteten Wärmetauschers 1. Entsprechend 1 besitzt der Wärmetauscher 1 ein sich entlang einer Längsrichtung L erstreckendes Außenrohr 2 zum Durchströmen mit einem Heißgas H, welches einen Außenrohr-Innenraum 3 begrenzt. Im Außenrohr-Innenraum 3 ist ein Innenrohr 4, ebenfalls zum Durchströmen mit dem Heißgas H, angeordnet, welches einen Innenrohr-Innenraum 5 begrenzt.
Das Außenrohr 2 ist als Flachrohr 30 mit einer ersten Außenrohr-Rohrwand 31a und einer der ersten Außenrohr-Rohrwand 31a gegenüberliegenden, zweiten Außenrohr-Rohrwand 31b ausgebildet. Ein Teil der thermoelektrischen Module 10-im Folgenden als „erste thermoelektrische Elemente 10a“ bezeichnet - sind gemäß den 1 und 2 an der Außenseite 8 der ersten Außenrohr-Rohrwand 31a angeordnet. Die verbleibenden thermoelektrischen Elemente 10 - im Folgenden als „zweite thermoelektrische Elemente 10b“ bezeichnet - sind an der Außenseite 8 der zweiten Außenrohr-Rohrwand 31b angeordnet. Auch das Innenrohr 4 ist als Flachrohr 32 mit einer ersten Innenrohr-Rohrwand 33a und einer der ersten Innenrohr-Rohrwand 33a gegenüberliegenden, zweiten Innenrohr-Rohrwand 33b ausgebildet.
Die 2 zeigt den Wärmetauscher 1 der 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L entlang der Schnittlinie II-II der 1. Man erkennt, dass die beiden Außenrohr-Rohrwände 31a, 31b im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L jeweils eine Breitseite 34a, 34b des als Flachrohr 30 realisierten Außenrohrs 2 ausbilden. Weiterhin weist das das Außenrohr 2 ausbildende Flachrohr 30 im dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L zwei Schmalseiten 34c, 34d auf. Das Seitenverhältnis von einer der beiden Breitseiten 34a, 34b zu einer der beiden Schmalseiten 34c, 34d beträgt mehr als 1, vorzugsweise mindestens 2, höchst vorzugsweise mindestens 4
Die beiden Innenrohr-Rohrwände 33a, 33b bilden in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L jeweils eine Breitseite 35a, 35b des als Flachrohr 32 realisierten Innenrohrs 4 aus. Weiterhin weist das das Innenrohr 4 ausbildende Flachrohr 32 im dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L zwei Schmalseiten 35c, 35d auf. Das Seitenverhältnis einer der beiden Breitseite 35a, 35b zu einer der beiden Schmalseiten 35c, 35d beträgt mehr als 1, vorzugsweise mindestens 2, höchst vorzugsweise mindestens 6.
Entsprechend 2 ist in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L die erste Außenrohr-Rohrwand 31a der ersten Innenrohr-Rohrwand 33a zugewandt. Die zweite Außenrohr-Rohrwand 31b ist entsprechend der zweiten Innenrohr-Rohrwand 33b zugewandt.
Im Beispiel der 1 und 2 umfasst der Wärmetauscher 1 außerdem ein erstes Kühlmittelrohrs 13a und ein zweites Kühlmittelrohr 13b zum Durchströmen mit einem Kühlmittel K, welches eine geringere Temperatur aufweist als das Heißgas H. Die Kühlmittelrohre 13a, 13b sind also an den Kaltseiten 12 der thermoelektrischen Module 10 angeordnet, sodass das durch die Kühlmittelrohre 13 strömende Kühlmittel K thermisch an die Kaltseiten 12 der thermoelektrischen Module 10 koppeln kann.
Das erste Kühlmittelrohr 13a ist an den Kaltseiten 12 der ersten thermoelektrischen Module 10a angeordnet. Das zweite Kühlmittelrohr 13b ist an den Kaltseiten 12 der zweiten thermoelektrischen Module 10b angeordnet. Das Außenrohr 2 ist dabei entlang einer Stapelrichtung S, die quer zur Längsrichtung L des Außenrohrs 2 verläuft, zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelrohr 13a, 13b angeordnet. Auf diese Weise kann der in Stapelrichtung S für den Wärmetauscher 1 erforderliche Bauraum gering gehalten werden. Auch die Kühlmittelrohre 13a, 13b können jeweils als Flachrohr 36 ausgebildet sein, dessen Breitseiten 37a im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L den ersten bzw. zweiten thermoelektrischen Modulen 10a, 10b zugewandt sind.
Das Innenrohr 4 ist an einem ersten Längsende 26a geschlossen ausgebildet. Hierzu besitzt das Innenrohr eine Stirnwand 16. An einem dem ersten Längsende 26a gegenüberliegenden, zweiten Längsende 26b des Innenrohrs 4 schließt an das Innenrohr 4 hingegen ein Gaseinlass 27 zum Einleiten des Heißgases H in das Innenrohr 4 an. Mit anderen Worten, das Innenrohr 4 ist am zweiten Längsende 26b offen ausgebildet. In der ersten Innenwand-Rohrwand 33a und in der zweiten Innenwand-Rohrwand 33b des Innenrohrs 4 ist jeweils eine Mehrzahl von Durchbrüchen 7 ausgebildet, mittels welcher der Innenrohr-Innenraum 5 fluidisch mit dem Außenrohr-Innenraum 3 kommuniziert. Auf diese Weise kann das durch das Außenrohr 2 strömende Heißgas H thermisch an die Heißseiten 11 der thermoelektrischen Module 10 gekoppelt werden.
Die 3 zeigt eine Draufsicht auf das Kühlmittelrohr 13a in einer in 1 mittels eines Pfeils angedeuteten Blickrichtung B, die sich senkrecht zur Längsrichtung L erstreckt und entgegengesetzt zur Stapelrichtung S verläuft. Das erste Kühlmittelrohr 13a weist im Beispiel der 3 eine U-förmige Geometrie mit einer Basis 38 und einem ersten und einem zweiten Schenkel 39a, 39b auf. Die beiden Schenkel 39a, 39b erstrecken sich entlang der Längsrichtung L des Außenrohrs 2. An einem ersten Längsende 24a (vgl. 1) des Außenrohrs 2 ist ein Kühlmittelverteiler 41 vorhanden, welcher fluidisch mit einem am ersten Schenkel 39a vorhandenen Kühlmitteleinlass 43 des ersten Kühlmittelrohrs 13 kommuniziert. Ebenso ist an dem ersten Längsende 24a des Außenrohrs 2 ein Kühlmittelsammler 42 vorhanden, welcher fluidisch mit einem am zweiten Schenkel 39b vorhandenen Kühlmittelauslass 44 des ersten Kühlmittelrohrs 13a kommuniziert. Die beiden Kühlmittelrohre 13a, 13b können als Gleichteile ausgebildet sein. In diesem Fall ist das zweite Kühlmittelrohr 13b ebenfalls wie in 3 gezeigt ausgebildet.
Anhand der 1 wird im Folgenden die Durchströmung des Wärmetauscher 1 mit Heißgas H erläutert. Über den Gaseinlass 27 wird das Heißgas H in den vom Innenrohr 4 begrenzten Innenrohr-Innenraum 5 eingeleitet und durchströmt diesen entlang der Längsrichtung L (vgl. Pfeile 21a). Da der Innenrohr-Innenraum 5 in Längsrichtung L von der Stirnwand 16 des Innenrohrs 4 begrenzt ist, kann das Heißgas H den Innenrohr-Innenraum 5 nur entlang der Stapelrichtung S, also quer zur Längsrichtung L durch die in der ersten bzw. zweiten Innenrohr-Rohrwand 33a, 33b ausgebildeten Durchbrüche 7 verlassen (vgl. Pfeile 21b). Aufgrund des sich im Innenrohr-Innenraum 5 im Heißgas H ausbildenden Staudrucks wird das Heißgas H beim Durchströmen der Durchbrüche 7 beschleunigt und prallt jeweils in Form eines Prallstrahls auf die erste bzw. zweite Außenrohr-Rohrwand 31a, 13b des Außenrohrs 2 (vgl. Pfeile 21c). Dabei wird thermische Energie an die thermoelektrischen Module 10 abgegeben. Das an den Außenrohr-Rohrwänden 31a, 31b abprallende, also reflektierte Heißgas H kann durch zwei am Außenrohr 2 vorhandene Gasauslasse 23a, 23b (vgl. 2), die sich entlang der Stapelrichtung S erstrecken, den Wärmetauscher 1 verlassen (vgl. Pfeile 21d). Im Szenario der 1 und 2 ist das Außenrohr 2 an einem der beiden entlang der Längsrichtung gegenüberliegenden Längsenden 24a, 24b geschlossen ausgebildet. Das Außenrohr 2 wird dabei durch eine Stirnwand 25 verschlossen. Dies erlaubt eine vorteilhafte Abführung des Heißgases H im Außenrohr 2 in zwei einander entgegengesetzte Richtungen (vgl. Pfeile 21c, 21d in 2), welche dem einschlägigen Fachmann als „Medium Crossflow“ bekannt ist.
Aus dem vorangehend erläuterten Wärmetauscher 1 kann eine Wärmetauscher-Anordnung mit zwei aufeinander angeordneten Wärmetauschern 1 gebildet werden. Bevorzugt können die Wärmetauscher 1 entlang der Stapelrichtung S (vgl. 2) aufeinandergestapelt und mittels der beiden Gasauslässe 23a, 23b fluidisch miteinander kommunizieren. Die 2 zeigt also einen einzigen Wärmetauscher 1 einer solchen Wärmetauscher-Anordnung.
4 illustriert eine Variante des Beispiels der 1, bei welchem das Außenrohr 2 am Längsende 24a zum Ausleiten des Heißgases H offen ausgebildet ist. Dies erlaubt eine vorteilhafte Abführung des Heißgases H in nur eine Richtung (vgl. Pfeile 21d in 4) über einen Gasauslass 23c, welcher am ersten Längsende 24a an das Außenrohr 2 anschließt. Dieses Szenario ist dem einschlägigen Fachmann als „Maximum Crossflow“ bekannt.
In einer in den Figuren nicht näher gezeigten Variante können die Alternativen „maximum Crossflow“ und „Medium Crossflow“ auch kombiniert sein.
Der Wärmetauscher 1 gemäß 4 besitzt drei erste Kühlmittelrohre 13a und drei zweite Kühlmittelrohre 13b. In Varianten kann die Anzahl an ersten und zweiten Kühlmittelrohren 13a, 13b variieren. Die ersten und zweiten Kühlmittelrohre 13a, 13b sind entsprechend 4 jeweils die entlang der Längsrichtung L im Abstand zueinander angeordnet sind und erstrecken sich jeweils entlang einer senkrecht sowohl zur Längsrichtung L als auch zur Stapelrichtung S verlaufenden Querrichtung Q.

Claims

Wärmetauscher (1), insbesondere Abgaswärmetauscher, für ein Kraftfahrzeug, - mit einem sich entlang einer Längsrichtung (L) erstreckenden Außenrohr (2) zum Durchströmen mit Heißgas (H), welches einen Außenrohr-Innenraum (3) begrenzt und in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) zwei Außenrohr-Rohrwände (31a, 31b) aufweist, - mit einem im Außenrohr-Innenraum (3) angeordneten, und sich entlang der Längsrichtung (L) erstreckenden Innenrohr (4), welches an einem (ersten) Längsende (26a) geschlossen ausgebildet ist und einen Innenrohr-Innenraum (5) begrenzt und in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) zwei Innenrohr-Rohrwände (33a, 33b) aufweist, - wobei in den Innenrohr-Rohrwänden (33a, 33b) eine Mehrzahl von Durchbrüchen (7) vorhanden ist, mittels welcher der Innenrohr-Innenraum (5) fluidisch mit dem Außenrohr-Innenraum (3) kommuniziert, - mit einer Mehrzahl von auf einer Außenseite (8) der Außenrohr-Rohrwände (31a, 31b) angeordneten thermoelektrischen Modulen (10), die jeweils eine dem Außenrohr (2) zugewandte Heißseite (11) und eine vom Außenrohr (2) abgewandte Kaltseite (12) aufweisen, - mit zumindest einem Kühlmittelrohr (13) zum Durchströmen mit einem Kühlmittel (K), welches an der Kaltseite (12) zumindest eines thermoelektrischen Moduls (10) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (2) als Flachrohr (30) ausgebildet ist, wobei die beiden Außenrohr-Rohrwände (31a, 31b) sich im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) gegenüberliegen und die beiden Breitseiten (34, 34b) des Flachrohrs (30) ausbilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (4) als Flachrohr (32) ausgebildet ist, wobei die beiden Innenrohr-Rohrwände (33a, 33b) sich im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) gegenüberliegen und die beiden Breitseiten (35) des Flachrohrs (32) ausbilden, wobei die Durchbrüche (7) in der ersten Innenwand-Rohrwand (33a) und in der zweiten Innenwand-Rohrwand (33b) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) die erste Außenrohr-Rohrwand (31a) der ersten Innenrohr-Rohrwand (33a) zugewandt ist und die zweite Außenrohr-Rohrwand (33b) der zweiten Innenrohr-Rohrwand (33b) zugewandt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erstes und ein zumindest zweites Kühlmittelrohr (13a, 13b) vorhanden sind, wobei das zumindest eine erste Kühlmittelrohr (13a) an der Kaltseite (11) zumindest eines ersten thermoelektrischen Moduls (10a) angeordnet ist und das zumindest eine zweite Kühlmittelrohr (13b) an der Kaltseite (12) zumindest eines zweiten thermoelektrischen Moduls (10b) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (2) entlang einer Stapelrichtung (S), die quer zur Längsrichtung (L) des Außenrohrs (2) verläuft, zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelrohr (13a, 13b) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlmittelrohr (13, 13a, 13b) als Flachrohr (36) ausgebildet ist, dessen Breitseite (37a) im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) den (ersten oder zweiten) thermoelektrischen Modulen (10, 10a, 10b) zugewandt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Kühlmittelrohr (13a, 13b) jeweils eine U-förmige Geometrie mit einer Basis (38) und einem ersten und einem zweiten Schenkel (39a, 39b) aufweist, wobei sich die beiden Schenkel (39a, 39b) entlang der Längsrichtung (L) des Außenrohrs (2) erstrecken.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - an einem ersten Längsende (24a) des Außenrohrs (2) ein Kühlmittelverteiler (41) vorhanden ist, welcher fluidisch mit einem am ersten Schenkel (39a) vorhandenen Kühlmitteleinlass (43) des ersten und des zweiten Kühlmittelrohrs (13a, 13b) kommuniziert, und dass - an dem ersten Längsende (24a) des Außenrohrs (2) ein Kühlmittelsammler (42) vorhanden ist, welcher fluidisch mit einem am zweiten Schenkel (39b) vorhandenen Kühlmittelauslass (44) des ersten und des zweiten Kühlmittelrohrs (13a, 13b) kommuniziert.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (2) an seinen beiden entlang der Längsrichtung (L) gegenüberliegenden Längsenden (24a, 24b) geschlossen ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (2) an einem Längsende (24b) geschlossen und an dem anderen Längsende (24a) zum Ausleiten des Heißgases (H) offen ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem dem ersten Längsende (26a) gegenüberliegenden zweiten Längsende (26b) des Innenrohrs (4) an dieses ein Gaseinlass (27) zum Einleiten des Heißgases (H) in das Innenrohr (4) anschließt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass - das das Außenrohr (2) ausbildende Flachrohr (30) im dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) zwei Schmalseiten (34c, 34d) aufweist, - das Seitenverhältnis von einer Breitseite (34a, 34b) zu einer Schmalseite (34c, 34d) mehr als 1, vorzugsweise mindestens 2, höchst vorzugsweise mindestens 4, beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass - das das Innenrohr (4) ausbildende Flachrohr (32) im dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) zwei Schmalseiten (35c, 35d) aufweist, - das Seitenverhältnis einer Breitseite (35a, 35b) zu einer Schmalseite (35c, 35d) mehr als 1, vorzugsweise mindestens 2, höchst vorzugsweise mindestens 6 beträgt.
Wärmetauscher-Anordnung, - mit zumindest zwei, vorzugsweise mehreren, aufeinander angeordneten, insbesondere aufeinander gestapelten, Wärmetauschern (1), welche über zumindest einen gemeinsamen Gasauslass (23a, 23b) zum Ausleiten des Heißgases aus der Wärmetauscher-Anordnung fluidisch miteinander kommunizieren.
Kraftfahrzeug, - mit einer Brennkraftmaschine, die eine Abgasanlage umfasst, - mit einem mit der Abgasanlage zusammenwirkenden Wärmetauscher (1) oder mit einer mit der Abgasanlage zusammenwirkenden Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 15.