DE10309807B4

DE10309807B4 - Wärmerohr-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10309807B4
Application number: DE10309807A
Authority: DE
Inventors: Günter Gräser; Franz Schweinzer; Marko-Dejan Vide
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: DE10309807A1; AT6005U1

Abstract

Wärmerohr-Wärmetauscher zur Kühlung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit einem ersten (1) und einem zweiten Kanal (2) jeweils zur Führung eines Kühlmediums sowie des zu kühlenden Mediums, wobei der Wärmetauscher ein oder mehrere mit einem Arbeitsmedium gefüllte Wärmerohre (3) aufweist, deren erste Enden (4) in den ersten Kanal (1) und deren zweite Enden (5) in den zweiten Kanal (2) ragen, wobei der erste Kanal (1) im wesentlichen achsparallel im Inneren des zweiten Kanals (2) angeordnet ist, und die Wärmerohre (3) die Wand (8) des innenliegenden Kanals (1) durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher aus modulartig zusammensetzbaren Doppelkanalelementen (13) besteht, welche stirnseitig aneinander fügbar sind, so dass zumindest deren innenliegende Kanalabschnitte (15) einen durchgehenden ersten Kanal (1) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmerohr-Wärmetauscher zur Kühlung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit einem ersten und einem zweiten Kanal jeweils zur Führung eines Kühlmediums sowie des zu kühlenden Mediums, wobei der Wärmetauscher ein oder mehrere mit einem Arbeitsmedium gefüllte Wärmerohre aufweist, deren erste Enden in den ersten Kanal und deren zweite Enden in den zweiten Kanal ragen, wobei der erste Kanal im wesentlichen achsparallel im Inneren des zweiten Kanals angeordnet ist, und die Wärmerohre die Wand des innenliegenden Kanals durchsetzen.
Ein derartiger Wärmerohr-Wärmetauscher kann beispielsweise als Abgasrückführkühler verwendet werden, welcher in einer von einem Auslasssystem abzweigenden und zu einem Einlasssystem einer Brennkraftmaschine führenden Abgasrückführleitung angeordnet ist. Der Wärmerohr-Wärmetauscher enthält ein oder mehrere geschlossene, mit einem Arbeitsmedium gefüllte Wärmerohre, deren erste Enden vom Abgas der Abgasrückführleitung beaufschlagt wird, und deren zweite Enden beispielsweise mit dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine in Kontakt stehen.
Wärmerohr-Wärmetauscher, welche nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip arbeiten, weisen meist mehrere geschlossene evakuierte Röhren auf, die jeweils einen geschlossenen Kreislauf bilden und ein Arbeitsmedium beinhalten. Der Wärmetransport erfolgt dabei durch die Zirkulation des an die speziellen Einsatzbedingungen angepassten Arbeitsmediums. Durch stetiges Verdampfen und anschließendes Kondensieren des Arbeitsmediums, beispielsweise Wasser, Methanol, etc., wird die an einem Ende des Wärmerohres zugeführte Wärme am anderen Ende des Rohres durch Kondensation des Arbeitsmediums an ein Kühlmedium abgegeben.
Aus der AT 003 888 U2 ist in diesem Zusammenhang ein Wärmerohr-Wärmetauscher bekannt geworden, bei welchem das in der Abgasrückführleitung einer Brennkraftmaschine angeordnete erste Ende jedes Wärmerohres vom rückgeführten Abgas umströmt wird, wobei die Strömungsrichtung des Abgases im wesentlichen normal auf die Achse jedes Wärmerohres (Querströmung) gerichtet ist. Die zweiten Enden der Wärmerohre ragen in einen neben der Abgasrückführleitung liegenden Kühlkanal, welcher von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium durchströmt wird. Der Kühlkanal kann dabei als Teil des Kühlkreislaufes des Motors oder des Heizkreislaufes für das Fahrzeuginnere ausgebildet sein.
Ein gattungsgemäßer Wärmerohr-Wärmetauscher ist aus der DE 201 13 189 U1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich allerdings nicht nur auf den Einsatz eines Wärmerohr-Wärmetauschers als Abgasrückführkühler oder auf andere Bereiche im Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen wie beispielsweise Ölkühler etc., sondern umfasst allgemein alle technischen Bereiche, in welchen flüssige oder gasförmige Medien nach dem beschriebenen Heat-Pipe-Prinzip effizient gekühlt oder auch erwärmt werden, wobei lediglich ein möglichst effizienter Wärmetransport zwischen zwei Medien gewährleistet sein soll.
Aus der DE 29 42 714 C2 ist ein Wärmetauschsystem zum Abführen von sich in gegenüber der Umgebungsluft abgeschlossenen Räumen mit einem hohen Sicherheitsbedürfnis bekannt. Dabei sind Wärmerohre koaxial von gas- und strahlungsdicht verschlossenen Hülsenröhren umgeben und mit diesen wärmeleitend verbunden.
Ein Wärmerohr-Wärmetauscher, der ein zylindrisches Gehäuse aufweist, ist aus der US 4 206 807 A bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von bekannten Wärmerohr-Wärmetauschern, welche nach dem Heat-Pipe-Prinzip arbeiten, eine konstruktiv einfache und platzsparende Lösung für einen effizienten Wärmetransport zwischen den eingesetzten Medien vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher aus modulartig zusammensetzbaren Doppelkanalelementen besteht, welche stirnseitig aneinander fügbar sind, so dass zumindest deren innenliegende Kanalabschnitte einen durchgehenden ersten Kanal bilden.
Die beiden Enden der Wärmerohre können unterschiedliche Querschnitte und/oder unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wobei die Enden beispielsweise einen im wesentlichen kreisförmigen, ovalen, elliptischen oder flachen Querschnitt aufweisen. Durch die unterschiedlichen Querschnitte der beiden Enden der Wärmerohre können diese optimal an das Medium, in welches sie eintauchen, angepasst werden. So kann beispielsweise das Ende des Wärmerohres, welches in ein gasförmiges Medium eintaucht mit einer entsprechend der unterschiedlichen Wärmeübergangszahl vergrößerten Oberfläche ausgebildet sein, wobei durch die Form des Querschnittes und die Ausrichtung der Enden der einzelnen Wärmerohre die Strömung im jeweiligen Kanal gezielt beeinflusst werden kann.
Die ersten und/oder die zweiten Enden der Wärmerohre sind nach dem Durchtritt durch die Wand des innenliegenden Kanals im wesentlichen parallel zur Achse der beiden Kanäle abgewinkelt. Beispielsweise können die im außenliegenden Kanal angeordneten zweiten Enden der Wärmerohre parallel zur Achse der beiden Kanäle abgewinkelt sein und dabei trotz kompakter Bauweise eine größere Länge aufweisen, als die in den innenliegenden Kanal reichenden ersten Enden der Wärmerohre. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn im innenliegenden ersten Kanal ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser geführt wird und im äußeren Kanal das zu kühlende Abgas einer Brennkraftmaschine.
Beispielsweise kann der innenliegende erste Kanal koaxial zum außenliegenden zweiten Kanal angeordnet sein, wobei in diesem Fall die Längsachsen der beiden Kanäle bevorzugt vertikal ausgerichtet sind. Der innenliegende erste Kanal kann exzentrisch zum außenliegenden zweiten Kanal angeordnet sein, wobei in diesem Fall die Längsachsen der beiden Kanäle vorzugsweise horizontal ausgerichtet sind. Wenn der innenliegende Kanal das Kühlmedium führt, ist dieser beispielsweise in der oberen Hälfte des äußeren Kanals angeordnet, so dass die einzelnen Wärmerohre bevorzugt von einem obenliegenden, kühlen Bereich in einen untenliegenden heißen Bereich führen und so die innere Zirkulation des Arbeitsmediums unterstützt wird.
In einer besonders kompakten, bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der außenliegende Kanal in Richtung seiner Längsachse versetzt angeordnete, tangential in den außenliegenden Kanal einmündende Ein- und Auslassöffnungen für die Zu- und Abfuhr des zu kühlenden Mediums aufweist, wobei die zweiten Enden der Wärmerohre als Strömungsleitelemente ausgebildet sind, welche zwischen der Ein- und Auslassöffnung des außenseitigen Kanals einen spiralförmig um den innenliegenden Kanal geführten Strömungsweg für das zu kühlende Medium definieren.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsvariante ist vorgesehen, die außenliegenden Kanalabschnitte der Doppelkanalelemente über radial oder tangential in die Kanalabschnitte einmündende Ein- und Auslassöffnungen zu koppeln, wobei je nach geforderter Kühlleistung, beispielsweise in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine, einzelne der außenliegenden Kanalabschnitte über an den Ein- und Auslassöffnungen angeordnete Steuerventile zu- und abgeschaltet werden können.
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmerohr-Wärmetauschers in einer Schnittdarstellung gemäß Linie I-I in 2,
2 den Wärmetauscher nach 1 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie II-II in 1,
3 die dreidimensionale Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die
4 und 5 Details bzw. Schnittdarstellungen des Wärmetauschers gemäß 3,
6 eine Untervariante des Wärmetauschers gemäß 3 in einer Schnittdarstellung gemäß 5,
7 eine dritte Ausführungsvariante der Erfindung in einem Längsschnitt,
8 die Ausführungsvariante nach 7 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie VIII-VIII in 7,
9 eine Untervariante der Ausführung nach 7 sowie
10 eine vierte Ausführungsvariante der Erfindung in einem Längsschnitt.
In allen folgenden Ausführungsvarianten werden gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Wärmerohr-Wärmetauscher gemäß 1 und 2 zur Kühlung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums weist einen innenliegenden ersten Kanal 1 zur Führung des Kühlmediums und einen außenliegenden zweiten Kanal 2 zur Führung des zu kühlenden Mediums auf. Weiters sind mit einem Arbeitsmedium gefüllte Wärmerohre 3 vorgesehen, deren erste Enden 4 in den Kanal 1 und deren zweite Enden 5 in den Kanal 2 ragen. Es sei darauf hingewiesen, dass je nach Anwendung des Wärmerohr-Wärmetauschers im innenliegenden Kanal 1 auch das zu kühlende Medium und im außenliegenden Kanal 2 das Kühlmedium geführt sein kann. Alle folgenden Angaben und Ausführungen wären dann sinngemäß entsprechend abzuwandeln.
Von den Wärmerohren 3 sind in 1 lediglich zwei dargestellt, weitere werden nur durch deren Längsachsen 3' angedeutet. Bei der dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden Längsachsen 1' und 2' der beiden Kanäle 1 und 2 horizontal angeordnet, wobei der das Kühlmedium führende innenliegende Kanal 1 in der oberen Hälfte des außenliegenden Kanals 2 angeordnet ist. Wie aus 2 ersichtlich, weist das zweite Ende 5 der Wärmerohre 3 eine vom ersten Ende 4 unterschiedliche, flachgedrückte Querschnittsform auf, wobei durch eine Schrägstellung der flachen Enden 5 Strömungsleitelemente entstehen, durch welche das bei der Einlassöffnung 6 in den Kanal 2 eintretende Abgas zur Auslassöffnung 7 geleitet wird. Die einzelnen Wärmerohre 3 durchsetzen die Wand 8 des innenliegenden Kanals 1 vorzugsweise normal zur Wandoberfläche, und werden beispielsweise eingelötet bzw. radial eingepresst. Die Führung des Kühlmittels, beispielsweise Kühlwasser, ist in den einzelnen Ausführungsvarianten durch Pfeile 9 gekennzeichnet, die Führung des zu kühlenden Mediums, beispielsweise Abgas, mit Pfeilen 10.
Die in den 3 bis 5 dargestellte Ausführungsvariante zeigt einen modulartigen Aufbau eines Wärmerohr-Wärmetauschers gemäß 1 und 2, wobei unterschiedliche Längen des Wärmetauschers für unterschiedliche Kühlleistungen auf einfache Weise herstellbar sind. So können beispielsweise zunächst einzelne Innenrohrteile, in welche bereits Wärmerohre 3 eingelötet bzw. eingepresst sind, durch Laserschweißen an den Nahtstellen 11 zu einem Innenkanal 1 zusammengefügt werden (4), wobei in weiterer Folge gemäß 3 Außenrohrteile durch Laserschweißen an den Nahtstellen 12 zu einem Außenkanal 2 zusammengefügt werden können. Dabei können vorgefertigte Endstücke mit einer Einlassöffnung 6 bzw. einer Auslassöffnung 7 verwendet werden, so dass die Gesamtlänge des Wärmetauschers variabel ist. Zur Verlängerung des Gasweges kann dieser entlang einer Spirale um den innenliegenden Kanal 1 geführt werden, so dass eine äußerst kompakte Kühleinheit entsteht. Durch die flache Form der zweiten Enden 5 der Wärmerohre 3 wird die wirksame Oberfläche auf der Gasseite erhöht und damit der Wirkungsgrad des Wärmetauschers vergrößert.
Wie in 6 dargestellt, kann gemäß einer Variante der Ausführung nach 5 der innenliegende Kanal 1 auch konzentrisch im Kanal 2 angeordnet sein, wobei entweder nur nach unten weisende Wärmerohre 3 vorgesehen sind, oder – wie strichliert dargestellt – auch im oberen Bereich des Kanals 2 Wärmerohre 3 vorgesehen sind, wenn entweder durch eine kapillare Führung des Arbeitsmediums in den Wärmerohren oder durch eine entsprechende Einbaulage des Wärmerohr-Wärmetauschers für die notwendige Zirkulation des Arbeitsmediums gesorgt ist.
In den 7 und 8 ist eine Ausführungsvariante des Wärmerohr-Wärmetauschers dargestellt, bei welcher der innenliegende Kanal 1 koaxial zum außenliegenden Kanal 2 angeordnet ist. Die einzelnen Wärmerohre 3 ragen mit ihren ersten Enden 4 radial in den vom Kühlmedium beaufschlagten Kanal 1 und sind nach ihrem Durchtritt durch die Wand 8 des Kanals 1 im Kanal 2 parallel zur Achse 1' bzw. 2' der beiden Kanäle 1 und 2 nach unten abgewinkelt. Die in das zu kühlende Medium (z. B. Abgas) tauchenden zweiten Enden 5 der Wärmerohre 3 können zur Vergrößerung der Oberfläche entsprechend länger ausgeführt werden, wobei trotzdem eine kompakte Bauform des Wärmetauschers gewährleistet ist.
In 9 ist eine alternative Querschnittsform zur Ausführung nach 8 dargestellt, wobei die beiden koaxial angeordneten Kanäle 1 und 2 beispielsweise einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Es wäre allerdings auch möglich ovale oder rechteckige Querschnitte zu wählen, um beispielsweise die äußere Form des Wärmerohr-Wärmetauschers an den jeweils zur Verfügung stehenden Platz an der Einbaustelle anzupassen.
Schließlich ist in der Ausführungsvariante gemäß 10 ein aus Doppelkanalelementen 13 modulartigen zusammengesetzter Wärmerohr-Wärmetauscher dargestellt, wobei die einzelnen Doppelkanalelemente 13 stirnseitig aneinander gefügt sind, so dass die innenliegenden Kanalabschnitte 15 einen durchgehenden inneren Kanal 1 bilden. Die außenliegenden ringförmigen Kanalabschnitte 16 der Doppelkanalelemente 13 sind über radial oder tangential abzweigende Ein- bzw. Auslassöffnungen 6, 7 miteinander koppelbar, wobei den einzelnen Ein- bzw. Auslassöffnungen Steuerventile 14 zugeordnet sind, über welche einzelne Kanalabschnitte 16 des außenliegenden Kanals 2 zu- bzw. abschaltbar sind, so dass der gesamte Wärmetauscher an die jeweils benötigte Kühlleistung angepasst werden kann.

Claims

Wärmerohr-Wärmetauscher zur Kühlung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit einem ersten (1) und einem zweiten Kanal (2) jeweils zur Führung eines Kühlmediums sowie des zu kühlenden Mediums, wobei der Wärmetauscher ein oder mehrere mit einem Arbeitsmedium gefüllte Wärmerohre (3) aufweist, deren erste Enden (4) in den ersten Kanal (1) und deren zweite Enden (5) in den zweiten Kanal (2) ragen, wobei der erste Kanal (1) im wesentlichen achsparallel im Inneren des zweiten Kanals (2) angeordnet ist, und die Wärmerohre (3) die Wand (8) des innenliegenden Kanals (1) durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher aus modulartig zusammensetzbaren Doppelkanalelementen (13) besteht, welche stirnseitig aneinander fügbar sind, so dass zumindest deren innenliegende Kanalabschnitte (15) einen durchgehenden ersten Kanal (1) bilden.
Wärmerohr-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegenden Kanalabschnitte (16) der Doppelkanalelemente (13) über radial oder tangential in die Kanalabschnitte (16) einmündende Ein- und Auslassöffnungen (6, 7) koppelbar sind.
Wärmerohr-Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne der außenliegenden Kanalabschnitte (16) über an den Ein- und Auslassöffnungen (6, 7) angeordnete Steuerventile (14) zu- und abschaltbar sind.
Wärmerohr-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden (4, 5) der Wärmerohre (3) unterschiedliche Querschnitte und/oder unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wobei die Enden (4, 5) beispielsweise einen im wesentlichen kreisförmigen, ovalen, elliptischen oder flachen Querschnitt aufweisen.
Wärmerohr-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (4) und/oder die zweiten Enden (5) der Wärmerohre (3) nach dem Durchtritt durch die Wand (8) des innenliegenden Kanals (1) im wesentlichen parallel zu den Längsachsen (1', 2') der beiden Kanäle (1, 2) abgewinkelt sind.
Wärmerohr-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Enden (5) der Wärmerohre (3) als Strömungsleitelemente ausgebildet sind, welche zwischen einer Ein- und Auslassöffnung (6, 7) des außenliegenden Kanals (2) einen spiralförmig um den innenliegenden Kanal (1) geführten Strömungsweg für das zu kühlende Medium definieren.
Wärmerohr-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (3) die Wand (8) des Innenliegenden Kanals (1) normal zur Wandoberfläche durchsetzen.
Wärmerohr-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkanalelemente (13) Doppelrohrstücke sind.