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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.
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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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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.
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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 wenigstens zwei Innenrohr-Rohrwände. Erfindungswesentlich ist eine Mehrzahl von Durchbrüchen, 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.
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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 besonders 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 thermische 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 thermoelektrische Generatoren wirkenden thermoelektrischen Modulen entsprechend mehr elektrische Energie erzeugt, was wiederum den Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mehrzahl von Durchbrüchen rasterartig unter Ausbildung von zumindest zwei Rasterzeilen und zumindest zwei Rasterspalten in der zumindest einen Innenrohr-Rohrwand angeordnet. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte, gleichmäßige Verteilung des Heißgases auf die Heißseiten der einzelnen thermoelektrischen Module erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung können zumindest zwei Rasterzeilen und/oder zumindest zwei Rasterspalten eine unterschiedliche Anzahl an Durchbrüchen aufweisen. Diese Maßnahme bedeutet die Realisierung von lokal unterschiedlichen Öffnungsstrukturen in der Innenrohr-Rohrwand, wodurch eine lokal unterschiedliche Verteilung des heißen Gases erreicht wird. Somit kann die erzielte Wärmeübertragung auf vorteilhafte Weise an lokale Strömungssituationen des heißen Gases im Innenrohr-Innenraum angepasst werden.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind die Durchbrüche zumindest zweier benachbarter Rasterspalten und/oder zumindest zweier benachbarter Rasterzeilen versetzt zueinander angeordnet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist zumindest ein Durchbruch eine düsenartige Geometrie auf. Mittels einer solchen, düsenartigen Geometrie wird das Heißgas im betreffenden Durchbruch zusätzlich beschleunigt, sodass ein Prallstrahl mit einem erhöhten Impuls erzeugt wird.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist zumindest ein Durchbruch eine schlitzartige Geometrie auf. Experimentelle Untersuchungen haben erzeugt, dass auf diese Weise ein Prallstrahl erzeugt wird, der eine besonders effektive Wärmeübertragung ermöglicht.
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Zweckmäßig kann eine entlang der Schlitzlängsrichtung gemessene Schlitzlänge zumindest eines Durchbruchs wenigstens das Fünffache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer quer zur Schlitzlängsrichtung gemessenen Schlitzbreite betragen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Schlitzlänge zumindest eines Durchbruchs zwischen 1mm und 30 mm. Alternativ oder zusätzlich kann eine quer zur Schlitzlänge gemessene die Schlitzbreite zumindest eines Durchbruchs zwischen 0,2 mm und 2 mm betragen.
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Bevorzugt beträgt der Wert der Schlitzlänge wenigstens das Fünffache, besonders bevorzugt wenigstens das Zehnfache, der Schlitzbreite.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weisen zumindest zwei Durchbrüche eine unterschiedliche Schlitzlänge auf. Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich bei dieser Weiterbildung zumindest zwei Durchbrüche entlang unterschiedlicher Erstreckungsrichtungen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist zumindest ein Durchbruch eine runde, vorzugsweise eine kreisrunde oder elliptische, oder mehreckige oder sternförmige Geometrie auf. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass eine solche runde bzw. mehreckige oder sternförmige Geometrie des betreffenden Durchbruchs einen Prallstrahl erzeugt, der eine besonders effiziente Wärmeübertragung auf die thermoelektrischen Module ermöglicht.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist an zumindest einem Durchbruch ein diesen Durchbruch einfassender, und zum Außenrohr hin abstehender Öffnungskragen ausgebildet. Mithilfe eines solchen Öffnungskragens kann der durch den Durchbruch hindurchströmende Prallstrahl präzise auf einen bestimmten Bereich der Außenrohr-Rohrwand gerichtet werden. Somit ist es möglich, sicherzustellen, dass der Prallstrahl auf einen Bereich der Außenrohr-Rohrwand trifft, an welcher auch ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt verjüngt sich zumindest ein Durchbruch vom Innenrohr-Innenraum weg zum Außenrohr-Innenraum hin, oder, alternativ dazu vom Außenrohr-Innenraum zum Innenrohr-Innenraum, vorzugsweise konisch.
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Besonders bevorzugt erstreckt sich zumindest ein Durchbruch entlang einer Erstreckungsrichtung, welche mit einer Außenseite der Innenrohr-Rohrwand einen rechten Winkel oder einen spitzen Winkel ausbildet. Dies erlaubt eine schräge Anordnung des betreffenden Durchbruchs von der Innenrohr-Rohrwand weg, so dass der Prallstrahl gezielt auf einen Bereich des Außenrohrs gerichtet werden kann, in welchem auch ein thermoelektrische Modul zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Prallstrahl angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist zumindest ein Durchbruch zum Innenrohr-Innenraum hin einen, vorzugsweise vollständig umlaufenden, gefasten oder konischen oder konvexen Öffnungsrand auf.. Eine solche Ausführungsform verringert die Verwirbelungen des durchströmenden Fluids, was die Druckverluste des Wärmetauschers auf der Heißgasseite und somit die Effektivität des Wärmetauschers erhöht.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die zumindest eine Innenrohr-Innenwand zumindest eine vom Innenrohr-Innenraum weg weisende Erhöhung auf, in welcher wenigstens zwei Durchbrüche angeordnet sind, wobei die beiden Durchbrüche unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind. Dies ermöglicht die Anordnung von mehreren Prallstrahlöffnungen an einer konzentrierten Position, womit fertigungstechnische und konstruktive Freiheiten einhergehen günstige Umformteile bzw. bauraumoptimierte Innenrohre.
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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.
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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.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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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.
- 5-23 zeigen verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der einzelnen Durchbrüche.
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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.
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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 ersten Außenrohr-Rohrwand 31a angeordnet. Die verbleibenden thermoelektrischen Elemente 10 - im Folgenden als zweite thermoelektrische Elemente 10b bezeichnet - sind an der zweiten Außenrohr-Rohrwand 31b angeordnet. Auch das Innenrohr 4 ist im Beispielszenario als Flachrohr 32 mit einer ersten Innenrohr-Rohrwand 33a und einer der ersten Innenrohr-Rohrwand 33a gegenüberliegenden, zweiten Innenrohr-Rohrwand 33b ausgebildet.
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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.
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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 in 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, 31b 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 21d in 2), welche dem einschlägigen Fachmann als „Medium Crossflow“ bekannt ist.
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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.
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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 und erstrecken sich jeweils entlang einer senkrecht sowohl zur Längsrichtung L als auch zur Stapelrichtung S verlaufenden Querrichtung Q.
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Die 5 bis 18 zeigen verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der einzelnen Durchbrüche 7 in der Innenrohr-Außenwand 33a. Die 5 bis18 zeigen dabei der Einfachkeit halber jeweils nur einen Ausschnitt der Innenrohr-Außenwand 33a. Die Beispiele der 5 bis 13 können miteinander kombiniert werden, soweit dies sinnvoll ist. In den 5 bis 13 ist jeweils exemplarisch die Innenrohr-Außenwand 33a dargestellt. Selbstredend können die in den 5 bis 18 gezeigten Ausgestaltungen auch in der Innenrohr-Außenwand 33b realisiert sein.
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In den Beispielen der 5 bis 10 sind die Durchbrüche 7 rasterartig unter Ausbildung von mehreren Rasterzeilen 30b und mehreren Rasterspalten 30a in der Innenrohr-Rohrwand 33a angeordnet. Im Beispiel der 5 bis 10 erstrecken sich die Durchbrüche 7 einer jeweiligen Rasterspalte 30a entlang einer Spaltenrichtung SP. Die Durchbrüche 7 einer jeweiligen Rasterzeile 30b erstrecken sich entsprechend entlang einer Zeilenrichtung Z. Im Beispielszenario verlaufen die Spaltenrichtung SP und die Zeilenrichtung Z orthogonal zueinander.
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Im Beispiel der 6 sind die Durchbrüche 7 benachbarter Rasterzeilen 30b jeweils in der Zeilenrichtung Z versetzt zueinander angeordnet. Demgegenüber ist im Beispiel der 5 keine solche versetzte Anordnung der Durchbrüche 7 vorgesehen. Im Beispiel der 5 und 6 besitzen die einzelnen Durchbrüche 7 in der Draufsicht auf die Innenrohr-Außenwand 33a jeweils eine kreisrunde Geometrie. Denkbar sind aber auch andere runde Geometrien, insbesondere eine elliptische Geometrie (in den Figuren nicht gezeigt).
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Wie die Darstellung der 13 erkennen lässt, können die Durchbrüche 7 auch eine nicht-runde Geometrie besitzen. So zeigt die 13 beispielhaft jeweils einen Durchbruch 7 mit der Geometrie eines Dreiecks, Vierecks, Fünfecks und Sechsecks, also eines Mehrecks. Auch eine sternförmige Geometrie ist, wie in 13 zur Illustration ebenfalls gezeigt, möglich.
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Im Beispiel der 7 und 8 besitzen die einzelnen Durchbrüche 7 jeweils eine schlitzartige Geometrie. Die schlitzartig ausgebildeten Durchbrüche 7 erstrecken sich jeweils entlang einer Schlitzlängsrichtung SL. Im Beispiel der Figuren sind die Schlitzlängsrichtung SL und die Spaltenrichtung SP identisch. Eine entlang der Schlitzlängsrichtung SL gemessene Schlitzlänge l zumindest eines Durchbruchs 7 kann wenigstens das Fünffache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer quer zur Schlitzlängsrichtung SL gemessenen Schlitzbreite b betragen.
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Besonders zweckmäßig beträgt die Schlitzlänge l der Durchbrüche 7 mit schlitzartiger Geometrie zwischen 1 mm und 30 mm. Die Schlitzbreite b der Durchbrüche 7 kann zwischen 0,2 mm und 2 mm betragen. Bevorzugt beträgt der Wert der Schlitzlänge l wenigstens das Fünffache, besonders bevorzugt wenigstens das Zehnfache, der Schlitzbreite b.
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Die einzelnen Durchbrüche 7 mit schlitzartiger Geometrie können in nicht gezeigten Varianten des Beispiels auch unterschiedliche Schlitzlängen aufweisen. In analoger Weise zu den 5 und 6 mit kreisrunder Ausbildung der Durchbrüche 7 sind im Beispiel der 8 die Durchbrüche 7 benachbarter Rasterspalten 30a entlang der Spaltenrichtung SP jeweils versetzt zueinander angeordnet. Im Beispiel der 7 ist hingegen keine solche versetzte Anordnung der Durchbrüche 7 realisiert.
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Die 9 und 10 illustrieren, dass auch Durchbrüche 7 mit unterschiedlicher Geometrie miteinander kombiniert werden können. Im Beispiel der 9 und 10 sind beispielhaft sowohl Durchbrüche 7 mit kreisrunder als auch schlitzförmiger Geometrie vorgesehen. Im Beispiel der 9 und 10 wechseln sich entlang der Zeilenrichtung Z Rasterspalten 30a, in welchen die Durchbrüche 7 eine schlitzförmige Geometrie aufweisen, mit Rasterspalten 30a ab, bei welchen die Durchbrüche 7 eine kreisförmige Geometrie aufweisen. Selbstredend können auch andere Geometrien miteinander kombiniert werden. Auch ist bei den Durchbrüchen 7 eine Variation ihrer Geometrie bezüglich der Rasterzeilen 30b möglich. Außerdem können auch mehr als zwei verschiedene Geometrie vorgesehen und miteinander kombiniert werden.
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In analoger Weise zu den 5 und 6 mit kreisrunder Ausbildung der Durchbrüche 7 sind im Beispiel der 10 die Durchbrüche 7 benachbarter Rasterspalten 30a jeweils entlang der Spaltenrichtung SP versetzt zueinander angeordnet. Im Beispiel der 10 sind also die Durchbrüche 7 mit kreisrunder Geometrie entlang der Spaltenrichtung SP versetzt zu den Durchbrüchen 7 mit schlitzförmiger Geometrie angeordnet. Im Beispiel der 9 ist demgegenüber keine solche versetzte Anordnung der Durchbrüche 7 realisiert.
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Im Beispiel der 11 ist eine achsensymmetrische Anordnung der Durchbrüche 7 gezeigt. In diesem Beispiel bildet ein Durchbruch 7 mit kreisförmiger Geometrie den Mittelpunkt M eines Sechsecks, in dessen Ecken ebenfalls jeweils ein Durchbruch 7 mit kreisförmiger Geometrie angeordnet ist. Zusätzlich sind radial außerhalb besagten Sechsecks exemplarisch weitere vier schlitzförmige Durchbrüche 7 vorgesehen. Sowohl die schlitzförmigen Durchbrüche 7 als auch die Durchbrüche 7 mit kreisrunder Geometrie sind achsensymmetrisch zu einer Symmetrieachse A angeordnet. Die Lage der Symmetrieachse A ist durch eine virtuelle Verbindungsgerade dreier benachbarter Durchbrüche 7 mit kreisrunder Geometrie definiert.
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Die 12 zeigt ein weiteres Beispiel für Durchbrüche 7 mit schlitzförmiger Geometrie. Im Beispiel der 12 erstrecken sich nicht alle Durchbrüche 7 entlang derselben Schlitzlängsrichtung SL. Vielmehr kann die Schlitzlängsrichtung SL für einzelne Durchbrüche 7 variieren. Im Beispiel der 12 erstrecken sich beispielhaft zwei Durchbrüche 7, die in 12 zusätzlich mit 7' bezeichnet sind, beabstandet zueinander entlang derselben Schlitzrichtung, die 12 mit SL‘ bezeichnet ist. In einem Zwischenraum 47 zwischen den beiden Durchbrüchen 7' sind 3 weitere Durchbrüche 7, die zusätzlich mit 7" bezeichnet sind, beabstandet zueinander angeordnet. Die Schlitzlängsrichtung SL dieser Durchbrüche 7", die in 12 zusätzlich mit SL“ bezeichnet ist, verläuft senkrecht zur Schlitzlängsrichtung SL‘ der beiden Durchbrüche 7. Selbstredend sind in weiteren Varianten vielfältige Weiterbildungen und Variationen des Beispiels der 12 denkbar.
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Die 14 bis 23 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, anhand welcher mögliche Ausgestaltungsformen der Durchbrüche 7 verdeutlicht werden sollen. Die Beispiele der 14 bis 23 können miteinander kombiniert werden, soweit dies sinnvoll ist. Die Beispiele der 5 bis 13 können außerdem mit den Beispielen der 14 bis 23 kombiniert werden, soweit dies sinnvoll ist. Die 14 bis 22 zeigen jeweils einen einzelnen, in der Innenrohr-Rohrwand 33a ausgebildeten Durchbruch 7 in einem Längsschnitt senkrecht zur Außenseite 40 der Innenrohr-Rohrwand 33a.
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Die Durchbrüche 7 erstrecken sich entlang einer Erstreckungsrichtung E. Die Erstreckungsrichtung E erstreckt sich im Beispiel der 14 bis 19, 21, 22 senkrecht zu einer Ebene 40a, die durch die Außenseite 40 der Innenrohr-Rohrwand 33a im Bereich des Durchbruchs 7 definiert ist. Im Beispiel der 14 besitzt der Durchbruch 7 entlang der Erstreckungsrichtung E einen konstanten Öffnungsdurchmesser d bzw. eine konstante Schlitzbreite b. In analoger Lesart ist in der weiteren Beschreibungen der Beispiele der 14 bis 23 ein beschriebener Öffnungsdurchmesser d alternativ gleichbedeutend einer Schlitzbreite b bei schlitzförmiger Geometrie der Durchbrüche 7, auch wenn dies nicht ausdrücklich erwähnt wird. Im Beispiel der 15 verjüngt sich der Durchbruch 7 vom Außenrohr-Innenraum 3 zum Innenrohr-Innenraum 5 konisch, d.h. der Öffnungsdurchmesser d nimmt von außen nach innen ab. Im Beispiel der 16 verjüngt sich der Durchbruch 7 vom Innenrohr-Innenraum 5 zum Außenrohr-Innenraum 3 konisch, d.h. der Öffnungsdurchmesser d nimmt von innen nach außen ab. Auch eine Kombination der Beispiele der 15 und 16 ist denkbar, so dass sich eine lokale Verengung (nicht gezeigt) des Öffnungsdurchmessers d entlang der Erstreckungsrichtung E ergibt. In diesem Fall besitzt der Durchbruch 7 die Geometrie einer Düse.
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Im Beispiel der 18 besitzt der Durchbruch 7 zum Innenrohr-Innenraum 5 hin einen gefasten oder konischen Öffnungsrand 45. Vorzugsweise läuft der gefaste bzw. konische Öffnungsrand 45 vollständig um. Im Beispiel der 17 besitzt der Durchbruch 7 zum Innenrohr-Innenraum 5 hin einen Öffnungsrand 45 mit im Längsschnitt konvexem Konturverlauf. Vorzugsweise läuft der gefaste bzw. konische Öffnungsrand 45 vollständig um. Analog kann eine derart funktionale Gestaltung des Öffnungsrandes 45 alternativ oder zusätzlich und in unterschiedlicher, d.h. wechselnder Gestaltung auch an dem den Außenrohr-Innenraum 3 zuweisende Öffnungsrand Anwendung finden (nicht gezeigt). In speziellen Kombinationen erhält der Durchbruch 7 die Geometrie einer Düse.
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In den Beispielen der 19 bis 22 ist an dem Durchbruch 7 ein diesen Durchbruch 77 einfassender und zum Außenrohr 2 (vgl. 1) hin abstehender Öffnungskragen 20 ausgebildet. Der Öffnungskragen 20 ist also auf der Außenseite 40 angeordnet und steht von dieser nach außen, also von der Innenrohr-Rohrwand 33a weg ab.
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Im Beispiel der 19 verläuft die Erstreckungsrichtung E des Durchbruchs 7 senkrecht zu der Ebene 40a, die durch die Außenseite 40 der Innenrohr-Rohrwand 33a definiert ist. Folglich steht auch der Öffnungskragen 20 orthogonal nach außen von der Innenrohr-Rohrwand 33a ab.
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Im Beispiel der 20 bildet die Erstreckungsrichtung E des Durchbruchs 7 mit der Ebene 40a der Außenseite 40 einen spitzen Winkel a. Folglich steht auch der Öffnungskragen 20 unter einem spitzen Winkel α nach außen von der Innenrohr-Rohrwand 33a ab.
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Die 21 zeigt exemplarisch eine Kombination der Beispiele der 17 und 19. Die 22 exemplarisch zeigt eine Kombination der Beispiele der 18 und 19. Selbstredend sind weitere Kombinationen der Beispiele der 14 bis 22, soweit sinnvoll, denkbar.
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Die 23 zeigt eine weitere Variante, bei welcher die Innenrohr-Innenwand 33a zumindest eine vom Innenrohr-Innenraum 5 weg weisende Erhöhung 46 aufweist, in welcher zwei oder mehr Durchbrüche 7 angeordnet sind. Die beiden Durchbrüche sind wie in 23 dargestellt bevorzugt unter einem spitzen Winkel β zueinander angeordnet. Die beiden Durchbrüche 7 können außerdem achsensymmetrisch zu einer Symmetrieachse A angeordnet sein, die in dem Längsschnitt der 23 senkrecht zur Ebene 40a verläuft.
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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 werden und mittels der beiden Gasauslässe 23a, 23b fluidisch miteinander kommunizieren. Die 2 zeigt also einen einzigen Wärmetauscher 1 einer solchen Wärmetauscher-Anordnung.
