Strömungsleitelement und Wärmtauscher

Abstract

 Die Erfindung geht aus von einem Strömungsleitelement (50) zur Anordnung in einem Wärmetauscher (10, 10') zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung (3) von einem Fluideintritt (24.1) zu einem Fluidaustritt (24.2). Gemäß dem Konzept der Erfindung weist das Strömungsleitelement (50) eine sich in Hauptströmungslängsrichtung (3) erstreckende flächlige Grundebene (52) auf, wobei sich über die Grundebene (52) hinaus wenigstens teilweise seitliche Begrenzungsstrukturen (57) zur Bildung wenigstens eines Strömungspfades (59, P1 - P7) erheben. Zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung (3) weist der wenigstens eine Strömungspfad (59, P1 - P7) einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand (A_ein) der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand (A_aus) der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) auf, wobei die Abstände derart unterschiedlich sind, dass ein dem Strömungspfad zugeordneter Druckverlust des Fluids von einer dem strömungsaufwärtigen ersten Abstand zugeordneten Stelle zu einer dem strömungsabwärtigen zweiten Abstand zugeordneten Stelle anders als ein Druckverlust eines gedachten Strömungspfades mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen ist. Vorteilhaft ist ein solcher Strömungspfad geeignet, das Fluid vergleichsweise stärker in Bereiche besonders hohen Wärmetausches und/oder mit einer Kühlmittelunterversorgung zu führen bzw. das Fluid vergleichsweise schwächer Bereichen mit vergleichsweise geringem Wärmetausch und/oder mit einer Kühlmittelüberversorgung zuzuführen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Strömungsleitelement zur Anordnung in einem Wärmetauscher zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt. Die Erfindung betrifft weiter einen Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid.

[0002] Bei einem Wärmetauscher wird zum Wärmetausch zwischen einem ersten Fluid, beispielsweise einem Abgas oder einer Ladeluft, und einem zweiten Fluid, beispielsweise einem Kühlmittel, auf zunehmend engem Bauraum ein Wärmetausch zwischen dem ersten und zweiten Fluid umgesetzt. Dazu weist ein Wärmetauscher üblicherweise einen in einem Gehäuse angeordneten Block zu voneinander getrennten und wärmetauschenden Führung des ersten Fluids und des zweiten Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt auf.

[0003] Dadurch kann, beispielsweise bei einem Abgaswärmetauscher zur Kühlung von Abgas, ein Abgas bei bis zu 750° C mit einem Motorkühlmittel abgekühlt werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere in Bereichen eines Eintritts des ersten Fluids in den Wärmetauscher die Temperaturunterschiede zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid vergleichsweise groß sind. Insgesamt ist es wünschenswert, beispielsweise in Bereichen wie dem vorgenannten Eintrittsbereich, eine Kühlung bzw. einen Wärmetausch zwischen dem ersten und zweiten Fluid, besonders effektiv zu gestalten.

[0004] Dazu ist es bekannt, zu einer den Wärmetausch zwischen den Fluiden beeinflussenden Strömungsführung für wenigstens eines der Fluids, insbesonderefür das zweite Fluid, ein Strömungsleitelement vorzusehen. Grundsätzlich kann unter einem Strömungsleitelement jedes die Strömung eines Fluid beeinflussende Element verstanden werden, beispielsweise auch ein Turbulenzblech, wie es in der Anmeldung der Anmelderin unter dem Aktenzeichen der Anmelderin 05-B-186 beschrieben ist.

[0005] Solche oder andere Strömungsleitelemente können als Einzelteile in einen Strömungskanal, z. B. ein Flachrohr, eingesetzt und mit diesem verlötet werden, oder auch ein einstückiger Bestandteil eines Rohres oder einer Scheibe sein. So ist beispielsweise aus DE 29622191 U1 ein Plattenwärmeübertrager bekannt, bei welchem zwischen den Scheiben Turbulenzbleche der vorgenannten Art angeordnet sind. Ausbildungen von einstückigen Innenrippen mit Flachrohr gehen aus den Druckschriften EP 1 281 923 A2, US 2757628 A, FR 2769359 A und EP 0 646 231 B hervor. So ist beispielsweise aus DE 10242188 A1 der Anmelderin ein Flachrohr-Wärmeübertrager mit einem gelöteten Rohr/Rippensystem bekannt, wobei die Rohre vorzugsweise von einem flüssigen Medium und die Rippen vorzugsweise von Luft durchströmt werden.

[0006] Obwohl sich solche Turbulenzen erzeugende Strömungsleitelemente als vorteilhaft zur Unterstützung des Wärmetauschs erwiesen haben, hat sich gezeigt, dass - insbesondere bei dem Bedürfnis eines effektiver zu gestaltenden Wärmetausches in Anbetracht abnehmender Bauraumverfügbarkeit und zunehmender Temperaturunterschiede zwischen dem ersten und zweiten Fluid - ein gesteigerter Bedarf an besonders hohen Wärmetauschraten besteht und eine über die Erzeugung einer Turbulenz hinausgehende Unterstützung des Wärmetauschs wünschenswert ist.

[0007] An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Vorrichtung, insbesondere ein Strömungsleitelement und/oder einen Wärmetauscher anzugeben, mittels der ein Wärmetausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid besonders effektiv gestaltet werden kann, insbesondere die Strömungsführung eines Fluids vorteilhaft beeinflusst werden kann.

[0008] Betreffend das Strömungsleitelement wird die Aufgabe durch die Erfindung mit einem Strömungsleitelement der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß eine sich in Hauptströmungslängsrichtung erstreckende flächige Grundebene vorgesehen ist, wobei sich über die Grundebene hinaus wenigstens teilweise seitliche Begrenzungsstrukturen zur Bildung und wenigstens teilweisen seitlichen Begrenzung einer Anzahl von Strömungspfaden erheben und zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung wenigstens ein Strömungspfad einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand zwischen zwei dem Strömungspfad zugeordneten seitlichen Begrenzungsstrukturen und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen aufweist, wobei die Abstände unterschiedlich sind. Die Abstände bzw. der Unterschied der Abstände ist vorzugsweise derart, dass ein dem Strömungspfad zugeordneter Druckverlust des Fluids von einer dem strömungsaufwärtigen ersten Abstand zugeordneten ersten Stelle zu einer dem strömungsabwärtigen zweiten Abstand zugeordneten zweiten Stelle anders ist als ein Druckverlust eines gedachten Strömungspfades mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen ist.

[0009] Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Turbulenzblech, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, oder andere Strömungsleitelemente, beispielsweise in Form einer Kühlmittelrippe o. dgl. üblicherweise nicht ausgelegt ist, eine vergleichsweise homogene Fluidverteilung bzw. eine den Temperaturverteilungen im Wärmetauscher angemessene Verteilung eines Fluids zu unterstützen. Vielmehr hat sich gezeigt, dass übliche Strömungsleitelemente in noch zu verbessernder Weise vergleichsweise übermäßig viel Fluidströmung auf direktem Weg zwischen Fluideintritt und Fluidaustritt zulassen. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es jedoch - insbesondere im Bereich eines Fluideintritts, vorzugsweise auch im Bereich eines Fluidaustritts - vergleichsweise kritische Stellen im Wärmetauscher gibt. Solche kritischen Stellen sollten aufgrund ihrer Temperaturverteilung - nämlich insbesondere eines vergleichsweise hohen Temperaturunterschieds zwischen dem ersten Fluid, z.B. Abgas, und zweiten Fluid, z. B. Kühlmittel - besonders bevorzugt mit einem den Wärmetausch - unterstützenden Fluid beaufschlagt werden. Umgekehrt sollte gemäß der Überlegung der Erfindung ein übermäßiger Strömungsfluss direkt vom Fluideintritt zum Fluidaustritt zugunsten solcher vorgenannter Bereiche unterdrückt werden, d.h. ein direkter Strömungsweg weniger stark mit einem Fluid beströmt werden. Insgesamt hat das Konzept der Erfindung erkannt, dass es mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strömungsleitelement möglich ist, ein Fluid, insbesondere ein zweites Fluid, vorzugsweise in Form von Kühlmittel, bedarfsgerecht gemäß einer Wärmeverteilung in einem Wärmetauscher zu verteilen.

[0010] Dieses Konzept wird besonders deutlich anhand einer beispielhaften in Fig. 4 dargestellten Ausführung einer Wärmestrombedarfs-Verteilung. Es hat sich gezeigt, dass Kühlmittel beispielsweise am Eintritt möglichst homogen über einen Wärmetauscherquerschnitt verteilt werden sollte, damit keine Totgebiete entstehen, in denen ein Mangel an Kühlmittel vorliegt. Diese Gefahr besteht insbesondere in Bereichen mit hohen Wärmestromdichten, nämlich Fluideintritt, beispielsweise am Abgas oder Ladelufteintritt, bei denen ein guter Wärmeübergang auf der Kühlmittelseite gewährleistet sein sollte. In Totgebieten besteht die Gefahr, dass das Fluid anfängt zu sieden und der Wärmeübergang auf der Kühlmittelseite durch die Dampfbildung stark einbricht, was zu lokalen Überhitzungen, hohen thermischen Spannungen und möglicherweise Rissen im Material führt. Darüber hinaus sind nachteilig hohe Wandtemperaturen und hohe thermische Dehnungen die Folge einer oftmals, insbesondere am Gaseintritt, unzureichenden Kühlmittelversorgung.

[0011] Ausgehend von dieser Überlegung schlägt das Konzept der Erfindung ein Strömungsleitelement vor, bei dem, kurz gesagt, eine druckangepasste Strömungsführung mit der Anzahl von Strömungspfaden vorgesehen ist, mit denen es möglich ist, insbesondere ein zweites Fluid, beispielsweise in Form eines Kühlmittels, verstärkt einem Bereich einer hohen Wärmestromdichte zuzuleiten und in anderen Fällen, insbesondere ein zweites Fluid, Bereichen mit geringerer Wärmestromdichte in geringerem Maße zuzuleiten. Dabei hat die Erfindung erkannt, dass ein Druckverlust eines Fluids in einem Strömungspfad ganz wesentlich durch den Abstand seitlicher Begrenzungsstrukturen beeinflusst ist. Dies trifft in besonders starkem Maße für vergleichsweise flache Strömungspfade zu. Gleichwohl umfasst das Konzept der Erfindung selbstverständlich Ausführungen, bei denen zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung der wenigstens eine Strömungspfad einen strömungsaufwärtigen ersten Querschnitt aller Begrenzungsstrukturen und einen strömungsabwärtigen zweiten Querschnitt aller Begrenzungsstrukturen aufweist, wobei die Querschnitte unterschiedlich sind. Mit anderen Worten, das Konzept der Erfindung hat vorliegend erkannt, dass mit geeigneter Querschnittsanpassung eines Strömungspfades eine Fluidströmung, insbesondere eine Kühlmittelströmung, in einem Wärmetauscher hinsichtlich einer speziellen Wärmestromdichte konkret ausgelegt werden kann.

[0012] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung, sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.

[0013] Es hat sich im Rahmen von Untersuchungen herausgestellt, dass eine Anzahl von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, Strömungspfaden besonders vorteilhaft ist zur Strömungsführung bei einem Strömungsleitelement für einen üblichen Wärmetauscher. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass für eine besonders gute Strömungsführung fünf oder mehr Strömungspfade vorteilhaft sind. In der Zeichnung sind besonders bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, bei denen die Strömungsführung in besonders bevorzugter Weise sechs oder sieben Strömungspfade aufweist.

[0014] Hinsichtlich der Anordnung der Anzahl von Strömungspfaden wurde festgestellt, dass sich diese auf einer lateralen Erstreckung - im weiteren Verlauf der Anmeldung als Δy_EA bezeichnet - zwischen zwei äußeren, seitlichen Begrenzungsstrukturen der Strömungsführung vorteilhaft nebeneinander anordnen lassen. Geht man beispielsweise von einer weitgehend rechteckigen Ausbildung des Strömungsleitelementes aus, so würde die laterale Erstreckung Δy_EA im Wesentlichen etwas weniger als der Breite des Strömungsleitelementes entsprechen. Es hat sich gezeigt, dass sich dadurch gerade im Bereich des Fluideintritts und des Fluidaustritts eine besonders vorteilhafte Wärmeabfuhr erreichen lässt, insbesondere wie dies im Einzelnen weiter unten beschrieben ist.

[0015] Hinsichtlich der Anordnung der Anzahl von Strömungspfaden zueinander lassen sich verschiedene Kriterien, die je nach Verwendungszweck vorteilhaft ausgewählt werden können, angeben. So ist vorteilhaft wenigstens ein erster Strömungspfad oder wenigstens eine erste Gruppe von Strömungspfaden - in den Ausführungsbeispielen z.B. Strömungspfade P1, P2 - vorgesehen und wenigstens ein zweiter Strömungspfad oder eine zweite Gruppe von Strömungspfaden - in den Ausführungsbeispielen z.B. die Strömungspfade P3 bis P7 oder auch P2 bis P7 vorgesehen, die sich in Ausbildung und Anordnung unterscheiden. Zur relativen Anordnung auf dem Strömungsleitelement wird bezüglich der lateralen Erstreckung des Strömungsleitelementes vorzugsweise ein erster Strömungspfad lateral außerhalb neben einem zweiten Strömungspfad angeordnet. Umgekehrt wird hinsichtlich der lateralen Erstreckung des Strömungsleitelementes ein zweiter Strömungspfad lateral innerhalb neben einem ersten Strömungspfad angeordnet. Mit anderen Worten liegt die erste Gruppe von Strömungspfaden im Wesentlichen in den äußeren Bereichen der lateralen Erstreckung des Strömungsleitelementes, während die zweite Gruppe von Strömungspfaden eher in den inneren Bereichen der lateralen Erstreckungsströmungsleitelemente angeordnet sind. In besonders bevorzugter Weise ist wenigstens ein erster Strömungspfad bzw. eine erste Gruppe von Strömungspfaden und wenigstens ein zweiter Strömungspfad bzw. eine zweite Gruppe von Strömungspfaden vorgesehen, wobei ein erster Strömungspfad einer äußeren, seitlichen Begrenzungsstruktur näher angeordnet ist, als ein zweiter Strömungspfad. Umgekehrt ist ein zweiter Strömungspfad einem Fluideintritt oder Fluidaustritt näher angeordnet als ein erster Strömungspfad.

[0016] Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass sich - wie weiter unten näher erläutert ist- ein erster Strömungspfad bzw. eine erste Gruppe von Strömungspfaden einerseits und ein zweiter Strömungspfad bzw. eine Gruppe von zweiten Strömungspfaden andererseits auch hinsichtlich ihres Verlaufs unterschiedlich auslegen lassen, um in Bezug auf ihre Anordnung bezüglich der lateralen Erstreckung des Strömungsleitelementes eine besonders bevorzugt angepasste Strömungsführung zu erreichen.

[0017] Ganz allgemein sei angemerkt, dass hinsichtlich der Strömungsführung die wenigstens teilweise seitlichen Begrenzungsstrukturen derart sind, dass ein Strömungsqueraustausch nicht vollständig freigegeben ist. Mit anderen Worten hat es sich nach Feststellung gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung herausgestellt, dass eine durchgehend verlaufende seitliche Begrenzungsstruktur zwar möglich und sinnvoll ist jedoch keineswegs zwingend zum Erreichen des erfinderischen Konzepts. Vielmehr kann es sich als vorteilhaft zur Strömungsführung und auch aus fertigungstechnischen Gründen zweckmäßig erweisen, eine Begrenzungsstruktur derart vorzusehen, dass eine seitliche Begrenzung eines Strömungspfades durch die Begrenzungsstruktur nur teilweise, d.h. z.B. abschnittsweise, gegeben ist, während zwischen Abschnitten Öffnungen bestehen, die prinzipiell einen Strömungsqueraustausch ermöglichen.

[0018] Insbesondere kann der wenigstens eine Strömungspfad einen sich, vorzugsweise kontinuierlich verändernden Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen aufweisen. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann ein variables Verhältnis von Kühlmitteleintrittsfläche zu Kühlmittelaustrittsfläche für einen Strömungspfad realisiert sein. Beispielsweise kann das Verhältnis einer Kühlmitteleintrittsfläche zu einer Kühlmittelaustrittsfläche größer als "1" sein - in diesem Fall handelt es sich dann um einen Strömungspfad, welcher in strömungsabwärtigen Bereichen eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit und damit einen vergleichsweise hohen Druckverlust realisiert, so dass ein solcher Strömungspfad geeignet ist, eine Fluidströmung vergleichsweise gering zu gestalten. Grundsätzlich kann im Extremfall ein solcher Strömungspfad auch vollständig geblockt werden, beispielsweise durch eine den Strömungspfad extrem einengende Steganordnung oder dergleichen. Ein solcher oder ähnlicher, anschaulich und der Einfachheit halber als "Blockpfad" bezeichneter Strömungspfad eignet sich in bevorzugter Weise in Bereichen, an denen ein vergleichsweise geringerer Fluidbedarf, insbesondere Kühlmittelbedarf, besteht. Dies sind beispielsweise Bereiche auf oder in Nachbarschaft zu einer direkten Verbindung zwischen Fluideintritt und Fluidaustritt. Wie zuvor erläutert, liegt in diesen Bereich bei neutraler Ausführung einer Strömungsführung übermäßig viel Fluid, insbesondere Kühlmittel, vor, so dass eine Strömungsführung in solchen Bereichen durch die Anordnung eines "Blockpfades" derart beeinflusst werden kann, dass weniger Fluid im Vergleich zu einer neutralen Auslegung der Strömungsführung zugeführt wird.

[0019] In einer umgekehrten Situation kann ein stromaufwärtiger Querschnitt geringer als ein stromabwärtiger Querschnitt des Strömungspfades vorliegen. Ein solcher Strömungspfad ist demgemäß dahingehend ausgelegt, dass er einen vergleichsweise geringeren Druckverlust im Vergleich zu einem gedachten Strömungspfad mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen, d.h. einer neutralen Strömungspfadauslegung, erzeugt. Ein solcher Strömungspfad ist somit dazu geeignet, im Vergleich zu einer neutralen Strömungsführungsauslegung vergleichsweise mehr Fluid, insbesondere Kühlmittel, zu führen. Ein solcher Strömungspfad wird anschaulich und der Einfachheit halber als "Saugpfad" bezeichnet. Die Anordnung eines Saugpfades hat sich als besonders vorteilhaft in Bereichen eines Wärmetauschers erwiesen, die vergleichsweise weit entfernt von einer direkten Verbindung zwischen einem Fluideintritt und einem Fluidaustritt liegen.

[0020] Insgesamt sieht eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung bei einem Strömungsleitelement eine Mehrzahl von Strömungspfaden vor, wobei insbesondere ein erster und ein zweiter Strömungspfad vorgesehen ist, wobei von einer strömungsaufwärtigen ersten Stelle zu einer strömungsabwärtigen zweiten Stelle entlang der Hauptströmungslängsrichtung der erste Strömungspfad länger als der zweite Strömungspfad ist. Die Erfindung hat erkannt, dass solche Strömungspfade unterschiedliche Druckverluste aufgrund ihrer unterschiedlichen Länge aufweisen und somit ein unterschiedlicher Bedarf an zweitem Fluid in solchen Strömungspfaden bewirkt werden kann.

[0021] Insbesondere kann ein erster Strömungspfad einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen aufweisen, wobei der erste Abstand geringer als der zweite Abstand ist. Dabei handelt es sich um einen zuvor erläuterten Blockpfad.

[0022] Insbesondere kann ein zweiter Strömungspfad einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen aufweisen, wobei der erste Abstand größer als der zweite Abstand ist. Bei einem solchen Strömungspfad handelt es sich um einen zuvor erläuterten Saugpfad.

[0023] Vorzugsweise ist das Abstandsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand bei einem "Blockpfad" höher als bei einem "Saugpfad".

[0024] Vorteilhaft ist der zweite Strömungspfad im Wesentlichen in Hauptströmungslängsrichtung verlaufend angeordnet. Besonders vorteilhaft kann der zweite Strömungspfad vergleichsweise direkt, insbesondere längs erstreckt oder diametral zur flächigen Grundebene des Strömungsleitelements von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt hin orientiert verlaufen. Vorzugsweise weist er praktisch kaum oder nur schwach quer verlaufende Bereiche auf. Ein zweiter Strömungspfad oder eine Gruppe von zweiten Strömungspfaden weist somit vorteilhaft praktisch nur (einen oder mehrere) im Wesentlichen in Hauptströmungslängsrichtung verlaufende Längsbereiche auf und praktisch keinen Querbereich.

[0025] Besonders vorzugsweise kann der erste Strömungspfad wenigstens bereichsweise quer zur Hauptströmungslängsrichtung verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass der erste Strömungspfad zusätzlich geeignet ist - dies bei vergleichsweise herabgesetztem Druckverlust - Bereiche eines Wärmetauschers mit Fluid, insbesondere Kühlmittel zu versorgen, die in Anbetracht einer zu erwartenden Wärmestromdichte vergleichsweise zu wenig Kühlmittel im Falle einer neutralen Auslegung aufweisen. Dies betrifft insbesondere Bereiche eines Fluideintritts und/oder eines Fluidaustritts. Beispielsweise kann der erste Strömungspfad vergleichsweise indirekt, insbesondere umfangsnah zur flächigen Grundebene, von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt hin orientiert verlaufen. Ein erster Strömungspfad oder eine Gruppe von ersten Strömungspfaden weist somit vorteilhaft - insbesondere außer einem oder mehreren Längsbereichen - auch wenigstens einen im Wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Querbereich auf.

[0026] Eine Hauptströmungsrichtung ist - wie oben erläutert - im Wesentlichen durch die Richtung zwischen Fluideintritt und Fluidaustritt am Strömungselement festgelegt.

[0027] Insgesamt sieht die Weiterbildung der Erfindung vor, dass der erste Strömungspfad ausgelegt ist, einen erhöhten Fluiddurchsatz zu führen - dies im Vergleich zu einem ersten Strömungspfad in einer ansonst gleichen gedachten Strömungspfadanordnung, die einen ersten und zweiten Strömungspfad mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen aufweist. Umgekehrt gilt dies für den zweiten Strömungspfad. Mit anderen Worten, das Strömungsleitelement ist so gestaltet, dass in Strömungspfaden, bei denen aufgrund der zu erwartenden Wärmestromdichten vergleichsweise viel zweites Fluid benötigt wird - hier als erster Strömungspfad bezeichnet - ein niedriger Druckverlust erzeugt wird, während in Strömungspfaden, in denen vergleichsweise wenig Kühlmittel in Anbetracht der zu erwartenden Wärmestromdichten benötigt wird - hier als zweiter Strömungspfad bezeichnet - ein vergleichsweise höherer Druckverlust erzeugt wird.

[0028] Zusätzlich zu den erläuterten Maßnahmen hinsichtlich eines Strömungspfadquerschnitts können - insbesondere bei zweiten Strömungspfaden - Verblockungsmaßnahmen oder weitere andere oder ähnliche allgemein drosselnde Strömungsleitmaßnahmen vorgesehen sein. Eine Verblockung kann beispielsweise unter Einbringen poröser Medien, von Lochblechen oder dergleichen realisiert werden. Als Strömungsleitelement können auch Prägungen, Sicken oder Ausstanzungen vorgesehen werden. Eine Begrenzungsstruktur kann insbesondere als Rippe oder Steg ausgeführt werden. Insbesondere bei ersten Strömungspfaden können strömungsleitungsfördernde Maßnahmen zusätzlich vorgesehen sein. So können, insbesondere in Eckbereichen des Strömungsleitelements, auf der Grundebene Umlenkbleche angebracht werden, um eine Strömung besser führen zu können.

[0029] Darüber hinaus hat es sich im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, dass ein sich von Strömungspfad zu Strömungspfad änderndes Verhältnis von Abständen (Querschnitten) der Begrenzungsstrukturen, und/oder ein sich änderndes Verhältnis eines stromabwärtigen Abstandes (Querschnitts) der Begrenzungsstrukturen zu einem stromaufwärtigen Abstand (Querschnitt) der Begrenzungsstrukturen, vorgesehen ist. Insbesondere kann ein solches variables Verhältnis der Querschnitte von Strömungspfad zu Strömungspfad abnehmen und/oder in einer Richtung ausgehend von einer Fluideintrittsstelle zu einer Fluidaustrittsstelle. Mit anderen Worten, das Verhältnis nimmt - insbesondere für zweite Strömungspfade - vorteilhaft ab bzw. nimmt - insbesondere für erste Strömungspfade - vorteilhaft zu, je weiter ein Strömungspfad von einer direkten Verbindung zwischen dem Kühlmitteleintritt und dem Kühlmittelaustritt entfernt ist. Dies gilt vorteilhaft für sich entlang einer Längserstreckung direkt gegenüberliegenden Fluideintritt und -austritt, als auch für sich entlang einer Diagonalen der Grundebene gegenüberliegenden Kühlmittelein- undaustritte.

[0030] Gemäß einer weiteren Weiterbildung hat das Strömungsleitelement insbesondere einen ersten und einen zweiten Teil, wobei der erste und zweite Teil mit im Wesentlichen spiegelsymmetrisch verlaufenden Begrenzungsstrukturen versehen ist.

[0031] Das Konzept der im Folgenden aufgeführten und im Einzelnen den weiteren Unteransprüchen 16 bis 25 zu entnehmenden besonders bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung ergibt sich aus einer Optimierungsrechnung für ein Strömungsleitelement, insbesondere Kühlmittel-Leitblech, die in der Detailbeschreibung der Fig. 5 bis Fig. 8 grundsätzlich erläutert ist:

[0032] Daraus ergibt sich, dass in einer besonders vorteilhaften Ausführung das Strömungsleitelement allgemein einen ersten Teil und einen zweiten Teil ausweisen kann, welche sich strukturell deutlich von einem weiter unten aufgeführten Mittenteil unterscheiden. Dabei sollte der erste Teil dem Fluideintritt zugeordnet sein und der zweite Teil dem Fluidaustritt zugeordnet sein, d.h. insbesondere dem Fluideintritt bzw. Fluidaustritt unmittelbar benachbart sein. Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass sich die Anzahl von Strömungspfaden in Hauptströmungslängsrichtung jeweils wenigstens bis zu einer longitudinalen Pfadlänge L_pfad innerhalb des ersten Teils und/oder zweiten Teils erstrecken. Es hat sich als besonders zweckmäßig zur Festlegung einer Pfadlänge erwiesen, dass die Pfadlänge L_Pfad wenigstens eines Strömungspfades - vorzugsweise aller Strömungspfade - größer ist als eine laterale Erstreckung Δy_EA zwischen zwei äußeren, seitlichen Begrenzungsstrukturen der Strömungsführung. Mit anderen Worten sollte eine Pfadlänge L_Pfad im Wesentlichen länger sein als die Breite des Strömungsleitelementes. Es hat sich gezeigt, dass sich unter dieser Voraussetzung eine geeignet vorteilhafte Ausrichtung der Strömung in longitudinaler Richtung des Strömungsleitelementes bereits erreichen lässt - dies auch unter der Voraussetzung, dass die seitlichen Begrenzungsstrukturen einen Strömungspfad nur teilweise begrenzen. Insbesondere ist dazu vorteilhaft vorgesehen, dass eine Pfadlänge wenigstens diejenige Länge eines Strömungspfades ist, entlang welcher der Strömungspfad ununterbrochen von den ihm zugeordneten seitlichen Begrenzungsstrukturen begrenzt ist.

[0033] Unter Berücksichtigung der oben angesprochenen Optimierungsrechnung für ein Strömungsleitelement gemäß der besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung lassen sich im Rahmen der Optimierungsrechnung erkannte vorteilhafte Parameter für die Auslegung der Begrenzungsstrukturen quantitativ angeben, die in den weiteren Unteransprüchen 21 bis 24 näher beansprucht und im Folgenden beschrieben sind - vorteilhafte Ausführungsformen dazu sind in den Fig. 5 bis Fig. 8 erläutert.

[0034] Insbesondere ist vorgesehen, dass bei wenigstens einem ersten Strömungspfad der erste Abstand und der zweite Abstand der ihm zugeordneten seitlichen Begrenzungsstrukturen derart ist, dass eine Relativgeschwindigkeit v_rel in dem wenigstens einen ersten Strömungspfad größer als eins ist. Vorzugsweise sollte eine Relativgeschwindigkeit v_rel - gemäß Formel (3) - größer als 1,1, vorzugsweise größer als 1,15 sein. Als besonders bevorzugt hat sich erwiesen, dass bei dem einer äußeren, seitlichen Begrenzungsstruktur am nächsten liegenden und diesen zunächst benachbarten ersten Strömungspfad der erste Abstand und der zweite Abstand der ihm zugeordneten seitlichen Begrenzungsstrukturen derart ist, dass eine Relativgeschwindigkeit v_rel - gemäß Formel (3) - in beiden ersten Strömungspfaden größer als 1,12 ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bereits dieser Betrag einer Relativgeschwindigkeit ausreichend eine die laterale Erstreckung bevorzugende Wärmeabfuhr unterstützt.

[0035] Gemäß einem zweiten Aspekt der Optimierungsrechnung hat sich ergeben, dass insbesondere ein Breitenverhältnis eines Abstandes b_Q in einem Querbereich zu einem Abstand b_L in einem Längsbereich - gemäß Formel (4) - für wenigstens einen der ersten Strömungspfade geringer ist als ein Breitenverhältnis eines Abstandes b_Q in einem Querbereich zu einem Abstand b_L in einem Längsbereich für wenigstens einen der zweiten Strömungspfade - gemäß Formel (4). Es hat sich dazu insbesondere als besonders vorteilhaft erwiesen, dass - gemäß Formel (5) - ein Verhältnis der Breiten der Formel (5) folgt, wobei n eine Pfadnummer spezifiziert, die zur zweiten Gruppe der Pfade gehört. Dabei sollte zweckmäßigerweise die Konstante c größer sein als 2, insbesondere größer als 5, vorzugsweise größer als 10.

[0036] Gemäß einem dritten Aspekt der Optimierungsrechnung hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, einen der zweiten Strömungspfade, vorzugsweise wenigstens der einen Fluideintritt oder Fluidaustritt am nächsten angeordnete zweite Strömungspfad, insbesondere den Strömungspfad mit der höchsten Nummer, zu drosseln. Dazu kann dieser Strömungspfad der zweiten Gruppe von Strömungspfaden, insbesondere derjenige mit der höchsten Nummer, wenigstens teilweise verblockt sein. Insbesondere für den vorgenannten oder die diesen unmittelbar benachbarten Strömungspfade der zweiten Gruppe gilt vorzugsweise, dass ein Breitenverhältnis eines Abstandes b_Q in einem Querbereich zu einem Abstand b_L in einem Längsbereich gegen Unendlich geht - mit anderen Worten der Abstand b_L in einem Längsbereich geht gegen 0. Praktisch heißt dies, dass das genannte Breitenverhältnis - gemäß Formel (4) - für wenigstens einen der zweiten Strömungspfade, vorzugsweise wenigstens der einen Fluideintritt oder Fluidaustritt am nächsten angeordnete zweite Strömungspfad besonders groß wird, vorzugsweise oberhalb von 10 liegt, insbesondere oberhalb von 100 liegt, insbesondere oberhalb von 1000 liegt.

[0037] Wie oben erläutert, gilt diese im Rahmen der oben genannten Optimierungsrechnung erkannte quantitative Spezifizierung von Relativgeschwindigkeiten v_rel, Breitenverhältnissen b_Q/b_L und Drosselparametern insbesondere für die ersten Strömungspfade - in den Ausführungsformen insbesondere Strömungspfade P1, P2 - und zweiten Strömungspfade - in den Ausführungsformen insbesondere Strömungspfade P5, P6, P7 - die in einem ersten/zweiten Teil, d.h. dem Fluideintritt/Fluidaustritt zunächst umgebenden Bereich, des Strömungsleitelementes angeordnet sind.

[0038] Vorzugsweise ist zwischen dem oben genannten ersten und zweiten Teil ein Mittenteil angeordnet. Insbesondere kann das Mittenteil wellenförmig aus der Grundebene ausgebildete Streifen aufweisen, die in Hauptströmungslängsrichtung in Reihen hintereinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind benachbarte Reihen quer zur Hauptströmungslängsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet. Insbesondere sind jeweils Hinterkanten und Vorderkanten vorgesehen, welche Durchtrittsöffnung in Hauptströmungslängsrichtung begrenzen. Ein solcher, vorteilhaft als Turbulenzbereich ausgelegter Mittenteil kann somit in besonders bevorzugter Weise die im Zusammenhang mit einem Turbulenzblech beschriebenen Turbulenzstrukturen, wie sie in der Anmeldung der Anmelderin mit dem anmelderseitigen Aktenzeichen 05 B 186 beschrieben sind, welche hiermit durch Zitat in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen ist.

[0039] Hinsichtlich des Wärmetauschers führt die Erfindung auf einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art, der aufweist:

einen in einem Gehäuse angeordneten Block zur voneinander getrennten und wärmetauschenden Führung des ersten Fluids und des zweiten Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt, wobei zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines der Fluids, insbesondere des zweiten Fluids, ein Strömungsleitelement gemäß dem Konzept der Erfindung vorgesehen ist.

[0040] Vorteilhafte Weiterbildungen des Wärmetauschers sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung, so gesehen sichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.

[0041] Insbesondere kann das erste Fluid zur Abgabe von Wärme an das zweite Fluid vorgesehen sein. Insbesondere kann das erste Fluid eine Ladeluft oder ein Abgas und/oder das zweite Fluid ein Kühlmittel sein. In besonders bevorzugter Weise kann das Strömungsleitelement in einem Strömungskanal des Blockes und/oder zwischen Strömungskanälen im Gehäuse angeordnet sein. Mit anderen Worten, das Strömungsleitelement gemäß dem Konzept der Erfindung ist grundsätzlich ausgelegt zur Wärmetausch-beeinflussenden Strömungsführung eines ersten Fluids als auch eines zweiten Fluids, wobei naturgemäß bevorzugt ist, dass das Strömungsleitelement zur Strömungsbeeinflussung des zweiten Fluids, vorzugsweise in Form eines Kühlmittels, vorgesehen ist. Zusätzlich und gegebenenfalls alternativ kann in einer abgewandelten Weiterbildung das Strömungsleitelement auch zur Strömungsbeeinflussung des ersten Fluids, vorzugsweise eines Abgases und/oder einer Ladeluft vorgesehen sein. Demgemäß hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Strömungsleitelement je nach Bedarf und Zweck in einem Strömungskanal des Blockes und/oder zwischen Strömungskanälen im Gehäuse anzuordnen, je nachdem, wie ein erstes und/oder zweites Fluid im Wärmetauscher geführt ist.

[0042] In einer besonders bevorzugten ersten Variante der Weiterbildung kann ein Strömungskanal in Form von zwei miteinander verbundenen flächigen, insbesondere weitgehend flachen oder gewölbten Platten gebildet sein. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Strömungsleitelement zwischen den Platten angeordnet ist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass Platten und Strömungsleitelement einen vorgefertigten zweiten Strömungskanal zur Leitung des zweiten Fluids bilden.

[0043] Gemäß einer zweiten, ebenfalls bevorzugten Variante der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Strömungskanal in Form eines Rohres auszubilden, und das Strömungsleitelement zwischen den Strömungskanälen anzuordnen, insbesondere zwischen zwei Reihenanordnungen von Rohren, zur Leitung des zweiten Fluids.

[0044] Ein Wärmetauscher ist bevorzugt in Form eines Abgaswärmetauschers und/oder eines Ladeluftwärmetauschers ausgebildet.

[0045] Während sich die Erfindung als besonders nützlich zur Verwendung des Strömungsleitelements zur Führung eines zweiten Fluids, insbesondere Kühlmittels, erweist und in diesem Sinne zu verstehen ist und während die Erfindung im Folgenden im Detail anhand von Beispielen betreffend ein Strömungsleitelement zur Strömungsbeeinflussung eines Kühlmittels beschrieben ist, so sollte dennoch klar sein, dass das hier beschriebene Konzept, wie beansprucht, ebenfalls nützlich im Rahmen von anderen Anwendungen ist, welche außerhalb einer Strömungsbeeinflussung für ein Kühlmittel im engeren Sinne liegen. Beispielsweise könnte das vorgestellte Konzept, wie oben bereits teilweise erläutert, ebenso Anwendung finden für die Strömungsbeeinflussung eines ersten Fluids, insbesondere eines Heißfluids, beispielsweise eines Abgases und/oder einer Ladeluft. Weitere Beispiele betreffen den Einsatz des Strömungsleitelements beispielsweise in einem Ölkühler oder Kältemittelkühler oder Kältemittelkondensator - neben einer Strömungsleitfunktion für ein Kühlmittel kann ein Strömungsleitelement gemäß dem Konzept der Erfindung auch zur Strömungsleitung für ein Öl oder das Kältemittel in zweckmäßiger Weise vorgesehen sein. Das Strömungsleitelement kann bei Wärmetausehern und Strömungskanälen in vielfältiger Form eingesetzt werden. Platten- oder Scheibenkanäle oder Kanäle in oder außerhalb von Rohren sind beispielhaft aufgeführt.

[0046] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehre wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.

[0047] Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

Fig. 1

eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Wärmetauschers gemäß dem Konzept der Erfindung in Form eines Plattenwärmetauschers;

Fig. 2

eine Explosionsdarstellung eines Strömungskanals bei einem Plattenwärmetauscher der Fig. 1, welcher Strömungskanal in Form von zwei miteinander verbundenen Flächen plattengebildet ist, die im Zwischenraum ein Strömungsleitelement aufnehmen zur Strömungsführung eines Kühlmittels;

Fig. 3

eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform eines anderen Wärmetauschers mit einem Doppelströmungskanal oder einer Mehrzahl von Strömungskanälen ähnlich dem in Fig. 2;

Fig. 4

eine schematische Ansicht einer Wärmestrombedarf-Simulation unter Berücksichtigung eines bestimmten Wärmeeintrags in einen Kühlmittelkanal bei einem Wärmetauscher der Fig. 1 bis Fig. 3;

Fig. 5

eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Strömungsleitelements, wie es zur Einbringung in einen Strömungskanal-beispielsweise gemäß Fig. 2 oder Fig. 3 - vorgesehen ist;

Fig. 6

eine Darstellung der Kühlmittelverteilung in einem ersten Teil des Strömungsleitelements in Nachbarschaft zu einem Kühlmitteleintritt der Fig. 5;

Fig. 7

eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des ersten Teils eines Strömungsleitelements ähnlich dem in Fig. 6;

Fig. 8

eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines ersten Teils eines Strömungsleitelements ähnlich dem in Fig. 6.

[0048] Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher 10 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines sogenannten "Scheibenwärmetauschers". Der Wärmetauscher 10 weist einen in einem Gehäuse 11 angeordneten Block 13 zur voneinander getrennten und wärmetauschenden Führung des ersten Fluids 1 in Form eines Abgases und des zweiten Fluids 2.1 und 2.2 in Form eines Kühlmittels entlang einer Hauptströmungslängsrichtung 3 von einer Fluideintrittsöffnung 5.1, 6.1 zu einer Fluidaustrittsöffnung 5.2, 6.2 auf. Vorliegend ist der Wärmetauscher 10 in Form eines zweistufigen Wärmetauschers mit einer Hochtemperaturstufe 10.1 und einer Niedertemperaturstufe 10.2 versehen, wobei entsprechend die Hochtemperaturstufe 10.1 zur Kühlung mit einem Hochtemperaturkühlmittel 2.1 über eine Fluideintrittsöffnung 5.1 und eine Fluidaustrittsöffnung 5.2 beströmt wird und die Niedertemperaturstufe 10.2 mit einem Niedertemperaturkühlmittel 2.2 über eine Fluideintrittsöffnung 6.1 und eine Fluidaustrittsöffnung 6.2 beströmt wird. Als Kühlmittel ist vorliegend ein wasserbasiertes Kühlmittel vorgesehen, wobei die Temperatur des Hochtemperaturkühlmittels 2.1 über der des Niedertemperaturkühlmittels 2.2 liegt.

[0049] Der Block 13 des Scheibenwärmetauschers weist eine Anzahl von mit Kühlmittel 2.1, 2.2 durchströmbare Strömungskanäle 20 auf, welche in Fig. 2 und Fig. 3 am Beispiel eines im Explosionsdarstellung dargestellten einstufigen Wärmetauschers 10' beispielhaft dargestellt sind. Ein Strömungskanal 20 ist vorliegend in Form von zwei miteinander verbundenen flächigen Platten 21.1, 21.2 gebildet, so dass dem Kühlmittel ein Zwischenraum 23 zur Durchströmung zur Verfügung steht. Gemäß Fig. 3 kann ein abgewandelter Strömungskanal 20' auch mittels drei Platten 21.1, 21. 2, 21.3 gebildet sein, wobei der Strömungskanal 20' dann einen Doppelkanal mit zwei dem Kühlmittel zur Verfügung stehenden Zwischenräumen 23 gebildet ist - ggfs. ist der gesamte Block in dieser Stapelform gebildet. In dem Zwischenraum 23 ist vorliegend ein Strömungsleitelement 50 angeordnet, wie es in Fig. 5 näher dargestellt ist. Ein Strömungskanal 20 oder ein Strömungskanal 20' ist vorliegend mit einem im Zwischenraum 23 angeordneten Strömungsleitelement 50 als vorgefertigter Strömungskanal 20, 20' zur Assemblierung im Block 13 eines Wärmetauschers 10 oder 10' zur Verfügung gestellt. Der Block 13 wird bei der Assemblierung in einem Gehäuse 11 des Wärmetauschers 10, 10' so angeordnet, dass eine entlang der Hauptströmlängsrichtung 3 zu- und abgeführte Längsdurchströmung des Abgases zwischen den aus Fig. 1 ersichtlichen Zwischenräumen 25 zwischen den Strömungskanälen 20, 20' ermöglicht ist. Dazu wird das Abgas über einen an dem Gehäuse 11 festgelegten Kasten - beispielsweise beim Wärmetauscher 10' in Form eines Eintrittsdiffusors 7.1 und Austrittsdiffusors 7.2 - zu- und abgeführt.

[0050] Das Kühlmittel 2 wird beim einstufigen Wärmetauscher 10' der Fig. 3 über einen Einführstutzen 4.1 einem Fluideintritt 24.1 des Strömungskanals 20' zugeführt und über einen Abführstutzen 4.2 von einem Fluidaustritt 24.2 des Strömungskanals 20' abgeführt. Die mehrfach untereinander angeordneten Strömungskanäle 20' des in Fig. 3 gezeigten Wärmetauschers 10' sind in der aus Fig. 3 ersichtlichen Explosionsdarstellung untereinander fluidverbunden derart, dass das Kühlmittel 2 über den Einführstutzen 4.1 jeder der Fluidentritte 24.1 zugeleitet und nach Durchlaufen des Zwischenraums 23 des Strömungskanals 20' wieder über die mehreren Fluidaustritte 24.2 dem Abführstutzen 4.2 des Wärmetauscher 10' zugeführt wird. Der Zuführstutzen 4.1 und der Abführstutzen 4.2 ist vorliegend an einem Gehäusedeckel 12 montiert oder anderweitig angebracht. Auf diese Weise erfolgt einerseits eine Führung des Kühlmittels 2 in dem durch die Strömungskanäle 20' gebildeten geschlossenen Kühlmittelkreislauf. Andererseits sind die Strömungskanäle 20' in einem Block 13 seitlich, in Strömungslängsrichtung 3, von Fluid 1 in Form von heißem Abgas anströmbar.

[0051] Eine daraus resultierende Wärmeverteilung 40 ist im Halbmodell als Draufsicht für einen Strömungskanal 20, 20' aufgrund eines durch das Abgas 1 bewirkten Wärmeeintrags 41 grundsätzlich dargestellt. Der Wärmeeintrag 41 wird durch das über und unter dem Kühlmittelkanal 20, 20' geführte Abgas 1 in Hauptströmlängsrichtung 3 bewirkt. Ein Kühlmitteleintritt 24.1 ist vergleichsweise groß im Querschnitt ausgeführt, um Druckverluste bei der Einströmung aus den Kühlmittelstutzen 4.1 in das den Strömungskanal 20, 20' bildende Scheibenbündel gering zu halten. Dies führt zu einer vergleichsweise geringen Strömungsgeschwindigkeit, was wiederum einen vergleichsweise geringen Querverteilungsdruckverlust am Kühlmitteleintritt zur Folge hat. Darüber hinaus zeigt die Darstellung der Fig. 4, dass ein höchster Wärmeeintrag an der Seite des Eintritts des Fluids 1 vorliegt und daher an dem mit Längserstreckung "a" bezeichneten Einströmbereich eine besonders hohe Wärmeabführleistung benötigt wird. Die Erfindung hat erkannt, dass - insbesondere im Einströmbereich - nicht nur die Kühlmittelgeschwindigkeit vergleichsweise hoch sein sollte, sondern darüber hinaus auch die Verfügbarkeit bzw. die Kühlmittelmenge - insbesondere in Seitenbereichen "s", dort insbesondere im Bereich einer Vorderkante "v" - so hoch sein sollte, dass ein siedendes Kühlmittel vermieden wird. Selbstverständlich gilt dies auch für den zentralen Bereich "z" an der Vorderkante "v" des Strömungskanals 20, 20', von dem jedoch üblicherweise nicht zu erwarten ist, dass dort - in unmittelbarer Nähe des Fluideintritts 24.1 - ein Kühlmittelmangel vorliegt, was einen wesentlichen Unterschied zu den Seitenbereichen "s" darstellt. Darüber hinaus erweist sich auch ein seitlich des Kühlmitteleintritts 24.1 liegender Bereich der Erstreckung "m" als problematisch, weil - wie vom Konzept der Erfindung erkannt - ein Kühlmittel dazu neigt vom Kühlmitteleintritt 24.1 weitgehend mittig in Hauptströmungslängsrichtung 3 zum Kühlmittelaustritt, d.h. in Richtung des größten Druckverlustes, zu strömen. Das Konzept der Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier dargestellte Geometrie eines im Strömungskanal mittigen Kühlmitteleintritts 24.1, sondern umfasst auch z.B. geometrisch nahe einer Diagonalen des Strömungskanals angeordnete Eintritte oder weitere Geometrien, die hier nicht gezeigt sind.

[0052] Dieses erkennend, führt das Konzept der Erfindung zu einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Strömungsleitelementes 50, wie es in Fig. 5 beispielhaft dargestellt ist. Das Strömungsleitelement 50 weist einen ersten, dem Fluid - d.h. hier Kühlmittel-Eintritt 24.1 zugeordneten, im Wesentlichen der Ausdehnung "a" entsprechenden Einströmteil, der auch als erster Teil 51.1 bezeichnet wird sowie einen spiegelsymmetrisch dazu angeordneten und ansonsten identischen einem Ausströmbereich um den Fluid-Austritt - d.h. hier Kühlmittel-Austritt 24.2, angeordneten Austrittteil, der auch als zweiter Teil 51.2 bezeichnet wird, auf. Zwischen dem Eintrittteil 51.1 und dem Austrittteil 51.2 ist ein Mittenteil 51.3 angeordnet, welcher durch nebeneinander liegende, vorliegend miteinander verbundene, durch Stegrippen 53 ausgebildete Kanäle 55 gekennzeichnet ist. Insgesamt sind die Stege 53 Teil von wellenförmig aus einer Grundebene 52 ausgebildeten Streifen gebildet, die in Hauptströmungslängsrichtung 3 in Reihen hintereinander angeordnet sind. Dabei sind benachbarte Reihen 56.1, 56.2 quer zur Hauptströmungslängsrichtung 3 gegeneinander versetzt angeordnet und weisen jeweils Hinterkanten und Vorderkanten auf, welche Durchtrittsöffnungen 55 in Hauptströmungslängsrichtung 3 begrenzen. Insgesamt kann dieser Mittenteil 51.3 auch zur Ausbildung eines turbulenzerzeugenden Teils genutzt werden, beispielsweise unter Nutzung einer zusätzlichen oder alternativen Struktur zur Erzeugung einer Turbulenz oder einer weiteren Strömungsleitfunktion wie sie in der früheren Anmeldung der Anmelderin unter dem Aktenzeichen der Anmelderin 05-B-186 beschrieben ist und deren Offenbarungsgehalt vorliegend voilständig durch Zitat in den Offenbarungsteil der vorliegenden Anmeldung aufgenommen ist.

[0053] Das vorliegend als Tiefziehteil zur Verfügung gestellte Strömungsleitelement 50 sieht zur Behebung der anhand von Fig. 4 erläuterten Problematik in dem Einströmteil 51.1 eine sich in Hauptströmungslängsrichtung 3 erstreckende flächige Grundebene 52 vor, wobei sich über die Grundebene 52 hinaus seitliche Begrenzungsstrukturen 57 zur Bildung einer Anzahl von - gemäß Fig. 6 vorliegend sechs unterschiedlichen - Strömungspfaden 59, jeweils wechselseitig auf einer Oberseite 61 bzw. Unterseite 63 des Strömungsleitelements 50, erheben. Zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung 3 des Kühlmittels weist ein Strömungspfad 59 einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand (Querschnitt) - deutlicher z.B. in Fig. 7 und Fig. 8 der weiteren Ausführungsformen als A_ein gezeigt - der seitlichen Begrenzungsstrukturen auf und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand (Querschnitt) der seitlichen Begrenzungsstrukturen - deutlicher z.B. in Fig. 7 und Fig. 8 der weiteren Ausführungsformen als A_aus gezeigt - auf. Derartige Querschnitte P1.1 bis P6.1 als strömungsaufwärtige Querschnitte sind auch in Fig. 6 kenntlich gemacht - entsprechende Querschnitte P1.2 bis P4.2 bzw. P1.3 bis P3.3 als strömungsabwärtige Querschnitte sind ebenfalls in Fig. 6 kenntlich gemacht. Vorliegend ändern sich die Abstände bei einem Strömungskanal 59 kontinuierlich. Dadurch wird ein dem Strömungspfad zugeordneter Druckverlust des Kühlmittels von einer dem strömungsaufwärtigen ersten Abstand zugeordneten Stelle (dort P1.1 bis P6.1) zu einer dem strömungsabwärtigen zweiten Abstand zugeordneten Stelle (z.B. dort P1.2 bis P4.2 oder P1.3 bis P3.3) anders ausgebildet als ein Druckverlust eines ansonsten gleich geführten Strömungspfades mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen. Diese Maßnahme erfolgt vorliegend, um eine dem Wärmeeintrag 41 angemessene Kühlmittelmenge zur Verfügung zu stellen und trotz der unterschiedlichen Länge der Strömungspfade 59 dennoch für jeden Pfad einen ausgewogenen Druckverlust zur Verfügung zu stellen. Dadurch wird jeder Pfad mit einer ausreichenden Menge an Kühlmittel in Folge der sich insgesamt für alle insoweit um Kühlmittel konkurrierenden Pfade einstellenden Druckverhältnisse versorgt.

[0054] Im Einzelnen ist gemäß Fig. 6 die durch die vorliegende Struktur erreichte Wirkung wie folgt erkenntlich. Grundsätzlich ist der statische Druckverlust in allen Pfaden 59 aufgrund des zwischen dem Kühlmitteleintritt 24.1 und Kühlmittelaustritt 24.2 herrschenden statischen Druckverlusts Δp in etwa gleich groß. Wie anhand von Fig. 4 erläutert, ist an der durch Pfeile kenntlich gemachten Vorderkante 65 des Kühlmittelkanals eine besonders hohe Kühlmittelgeschwindigkeit erforderlich - dies trifft vorliegend vor allem für die mit Nummerierung P1 und P2 und besonders stark für den mit Nummerierung P1 versehenen ersten Gruppe von Strömungspfaden zu. Solche Strömungspfade - die vorliegend anschaulich ausgedrückt auch als "Kantenpfad" oder "Saugpfad" bezeichnet werden - sind relativ zu den auch als "Blockpfad" oder "Mittenpfad" bezeichneten weiter innenliegenden zweiten Gruppe von Pfaden, beispielsweise der Strömungspfad mit der Nummer P6, länger und unterliegen damit mit zunehmender Länge einem entsprechend höheren Druckverlust. Aufgrund der vorliegend eher flachen Ausbildung eines Strömungspfades - unter Berücksichtigung der Platten 21.1, 21. 2 oberhalb und unterhalb des Strömungsleitelementes 50 - nimmt die Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmittels daher ab, wenn die Strömungspfadbreite gleich gehalten würde. Das Konzept der Erfindung sieht in der vorliegenden Ausführungsform eine konkret verwirklichte, geschickte Anordnung von Strömungspfaden P1 bis P6 vor, mit der gemäß dem Konzept eine dem Wärmeeintrag angemessenen Geschwindigkeitsverteilung in den Strömungspfaden P1 bis P6 erreicht wird. Wie bereits erläutert, wird aufgrund der vergleichsweise großen Fläche des Kühlmitteleintritts 24.1 ein Druckverlust bei der Einströmung aus dem Kühlmitteleintritt in das Scheibenbündel, d.h. in die mit Nummern P1 bis P6 versehenen Strömungspfade vergleichsweise gering gehalten. Insgesamt werden vorliegend auch die Umlenkverluste von den "vertikalen" Stutzen 4.1, 4.2 in die Ein/Austritte 24.1/24.2 vergleichsweise gering gehalten. Darüber hinaus sieht die vorliegende Ausführung des Einführteils 51.1 des Strömungsleitelements 50 jedoch eine besonders zweckmäßige und den Wärmeeintrag vorteilhaft bewältigende Querverteilung eines Kühlmittels 2 vor.

[0055] Um einen ausreichenden Druckabfall in Gebieten zu generieren, welche eher ein Kühlmittel-Überangebot haben, wird dazu der Druckverlust in den vergleichsweise kürzeren zweiten Gruppe von Pfaden - wie hier beispielsweise die mit Nummer P4 bis P6, insbesondere Nummern P5 und P6 versehenen Strömungspfade - möglichst hoch gehalten. Dies wird durch die gezielte Beschleunigung des Kühlmittels in den sich vom Eintrittsabstand, bzw. Querschnitt P5.1 bzw. P6.1, zu dem Austrittsabstand, bzw. Querschnitt P5.2, P6.2, stark verengenden Strömungspfaden erreicht. Auch im Mittenteil 51.3 des Strömungsleitelementes 50 führt dies zu erhöhten Druckverlusten wegen der weiterhin höheren Strömungsgeschwindigkeit. Im Einzelnen ergibt sich ein Druckverlauf bei den Strömungspfaden wie folgt - dazu wird insbesondere auf die weiter unten angeführte Optimierungsrechnung verwiesen:

[0056] Bei dem zur ersten Gruppe von Pfaden gehörenden Strömungspfad P1 entsteht zunächst zwangsläufig ein vergleichsweise hoher Druckverlust im Abschnitt 1.1 - eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist hier auch erforderlich um ein Sieden des Kühlmittels zu vermeiden. Danach erfolgt eine gemäß dem Konzept der Erfindung vorgesehene möglichst starke Aufweitung im Bereich P1.2 - vorliegend weitet sich der Strömungspfad P1 auf die etwa doppelte Breite des Bereichs in P1.1 auf. Dies führt konkret aufgrund der quadratischen Abhängigkeit zwischen Druckverlust und Geschwindigkeit zu einer Halbierung der Quergeschwindigkeit und damit zu einem Druckverlust von nur 25 % im Vergleich zu einem Strömungspfad mit gleich bleibendem Querschnitt. Analog ist im Bereich P1.3 eine vierfache Breite des Strömungspfads P1 erreicht im Vergleich zum Bereich P1.1, was zu einer Reduzierung des Druckverlustes auf 1/16 des Druckverlustes bei einem Strömungspfad mit gleichbleibendem Querschnitt führt. Diese drastische Reduzierung des Druckverlustes bei dem "Kanten- oder auch Saugpfad" genannten Strömungspfad P1 führt dazu, dass der Druckverlust vergleichsweise gering gehalten wird - dies ist sinnvoll, da Kantenpfade eher unter einem Kühlmittelunterangebot leiden. Im Gesamtbild gesehen wird der Druckverlust in allen Pfaden vergleichsweise ähnlich eingestellt - letzteres ist Voraussetzung dafür, dass eine Kühlmittelverteilung ausgewogen auch in seitlichen Randbereichen "v", "m", "a" des Strömungskanals zur Verfügung steht.

[0057] Beim zur ersten Gruppe von Pfaden gehörenden Pfad P2 erfolgt eine Querschnittserweiterung erst vergleichsweise spät stromabwärtig, vorliegend gegen Ende des Einströmbereichs "a" um im Bereich P2.1 des Strömungspfad P2 noch eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit für das Kühlmittel aufrecht zu erhalten.

[0058] Bei dem Strömungspfad P3 und P4 erfolgt am Kühlmitteleintritt 24.1 eine zunächst starke Verjüngung in den Bereichen P3.2 und P4.2, um ausreichend Platz für die daneben liegende Pfade P1 und P2 zu schaffen, die sich in dem Bereich in P1.2 und P2.2 bereits erweitern.

[0059] In den vergleichsweise kurzen zur zweiten Gruppe von Strömungspfaden gehörenden Pfaden P5 und P6, die vorliegend auch als "Mittenpfad oder Längspfad" bezeichnet werden können, sollen lokal zwangsläufig hohe Geschwindigkeit generiert werden, die allerdings auf einen schmalen Strang in Mittelteil des Wärmetauschers, vorliegend beispielsweise auf den Bereich "z", beschränkt werden. Die hohe Geschwindigkeit des Kühlmittels dient vorliegend der Generierung eines ausreichenden, treibenden Druckverlustes, der durch das Strömungsleitelement 50 oder zusätzliche Sicken oder Leitbleche, die dann auch blockierend und/oder in Querrichtung eingesetzt werden können. Möglich sind auch zusätzlich angebrachte Blockierelemente zur drastischen Erhöhung des Druckverlustes im Bereich "z".

[0060] Insgesamt hat die Erfindung erkannt, dass - wie bei einem Wärmetauscher dem die Fig. 4 zugrunde liegt und bei dem das erste Medium, nämlich das Abgas, denselben entlang der Hauptströmungslängsrichtung 3, d.h. axial, durchströmt - sich das Kühlmittel in der Regel im Eintrittsbereich quer zur Kühlerlängsrichtung verteilen sollte. Auch für das Kühlmittel wirkt allerdings das Druckgefälle hauptsächlich in Hauptströmungslängsrichtung 3, so dass das Kühlmittel bevorzugt den direkten Strömungspfad - in Fig. 6 die Pfade P5 und P6 - vom Eintritt zum Austritt nimmt und die Querverteilung vielfach unzureichend ist. Dies ist umso kritischer, da insbesondere der Einströmbereich "a" des Abgases in der Regel vollständig im Querverteilungsbereich des Kühlmittels liegt. Die Erfindung hat einerseits erkannt, dass je besser die Querverteilung des Kühlmittels ist, desto weniger Kühlmittel insgesamt benötigt wird und die erforderliche Pumpenleistung entsprechend reduziert werden kann. Letzteres führt unmittelbar zu einem verringerten Kosten- und Kraftstoffverbrauch. Die Querverteilung wird vorliegend insbesondere durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit an der Vorderkante 65 des Strömungskanals erreicht. Wegen der erforderlichen Querverteilung des Kühlmittels lässt es sich nicht vermeiden, dass gerade die längsten Strömungspfade die geringsten Kühlmittelströme aufweisen, obwohl gerade diese aus funktionalen Gründen die höchsten Kühlmittelströme haben sollten. Diese Problematik wird durch die Auslegung der "Kantenpfade" oder "Saugpfade" gemäß dem Konzept der Erfindung behoben. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Fig. 5 und Fig. 6 wird andererseits eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit in den "Blockpfaden" oder Mittenpfaden" dadurch erreicht, dass Strömungspfade im Einströmbereich angeordnet werden, zwischen denen in der Regel keine oder eine in Querrichtung wesentlich schwerer als in Längsrichtung durchgängige Verbindung besteht. Dadurch wird das treibende Druckgefälle effektiv in dem jeweiligen Strömungspfad - z.B. P5 und P6 - umgesetzt. Weiterhin kann auch ein Pfadsegment (z.B. ein Bereich P3.1, P4.1 oder Bereich P1.1) eines "Saugpfades" ausnahmsweise als Engstelle gestaltet werden, wenn in diesem besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich sind, also insbesondere querdurchströmte Teile der Pfade, die an der Vorderkante 65 des Strömungskanals 20, 20' entlang führen.

[0061] Eine konkrete Optimierungsrechnung zur Auslegung der Strömungspfade stützt sich auf folgende Grundlagen:

Allgemein berechnet sich ein Druckverlust für einen Strömungspfad zu:

ζ ist linear abhängig von der Pfadlänge:
ζ ∼ L_pfad
(alle ∼ Zeichen im Folgenden bedeuten "ist proportional zu")
ζ hängt von der Reynoldszahl "Re" ab. Übliche Werte für Kühlflüssigkeiten (z.B. Wasser-Glysantingemische) sind:

ζ ∼ Re ^-0,25 (bei laminarer Strömung)

ζ ∼ const (bei turbulenter Strömung)

[0062] In "Re" geht die Strömungsgeschwindigkeit und der hydraulische Durchmesser D_h jeweils linear ein:

[0063] Die Abhängigkeit des Druckverlustes von der Geschwindigkeit folgt somit etwa dem Exponenten 1,75 (Laminarströmung) bzw. 2 (Turbulentströmung). Die Abhängigkeit des Druckverlustes vom hydraulischen Durchmesser folgt etwa dem Exponenten - 0,25 (Laminarströmung) bzw. 0 (Turbulentströmung). Wird für die vorliegende Sache eines Strömungsleitelementes angenommen, dass Temperatur und Druck des zweiten Mediums im gesamten Strömungspfad nicht zu stark variieren, dann kann die Viskosität als konstant angenommen werden. Weiterhin dominiert der Einfluss der Geschwindigkeit deutlich den Einfluss des hydraulischen Durchmessers. Zudem ist die Strömung des zweiten Mediums in vielen gängigen Wärmetauscheranwendungen turbulent. Dann kann mit relativ kleinem Fehler der Druckverlust proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit angenommen und der hydraulische Durchmesser vernachlässigt werden. Weiterhin gilt in der Regel, dass die einzelnen Strömungspfade eher langgestreckt sind, dann haben auch die Druckverluste durch Umlenkung, Pfaderweiterung und Pfadverengung einen relativ kleinen Einfluss und können für eine Grobauslegung der Pfade vernachlässigt werden.

[0064] Diese für ein vorliegendes Strömungsleitelement gegebenen Voraussetzungen ermöglichen den Druckverlust über ein Integral über die Pfadlänge zu bestimmen:


v ist umgekehrt proportional zum Pfadquerschnitt, bei konstanter Strömungspfadhöhe also umgekehrt proportional zur Pfadbreite b. Weiterhin ist die Geschwindigkeit v für inkompressible Medien proportional zum Medienmassenstrom öm/öt - für flüssige Medien ist diese Annahme in der Regel zulässig; somit kann für den Strömungspfad n angesetzt werden:

[0065] Der Massenstrom ist konstant im gesamten Pfad n und es ergibt sich:

[0066] Über alle Strömungspfade 1 bis N wirkt das gleiche treibende Druckgefälle Δp_n = Δp_a, so dass die jeweiligen Massenströme in den Pfaden berechnet werden können zu:

[0067] Mit dieser Formel (1) kann der Massenstrom für jeden Strömungspfad n berechnet werden und daraus an jeder Position I_h des Pfades mit Hilfe des Pfadquerschnitts A_n(I) die Geschwindigkeit bzw. die Massenstromdichte (δm_n/δt) / A_n(I) bestimmt werden.

[0068] Eine sinnvolle Referenz für die Massenstromdichte ist der Wert, der sich für den nicht in Pfade unterteilten Kanal des zweiten Fluids ergeben würde, wenn dieser vollständig und homogen parallel durchströmt wäre (also ohne Querverteilung am Ein-/Austritt). Mit der Länge L_o und der Breite b_K des Kanals ergibt sich der Massenstrom für den homogen durchströmten Kanal (also die Gesamtströmung unter Annahme einer homogenen Strömungsführung):


bzw. Massenstromverhältnis zwischen einem einzelnen Strömungspfad n und dem Gesamtkanal:

[0069] Für einen Strömungspfad mit konstanter Höhe - wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall - ist die Kanal- bzw. Pfadquerschnittsfläche dann proportional zur Breite und ergibt sich für den spezifischen Massenstrom bzw. die Geschwindigkeit jeder Breite des Pfades n mit der lokalen Breite b_n(I) und es kann die auf die Geschwindigkeit des homogen parallel durchströmten Kanals v_K bezogene Geschwindigkeit in den einzelnen Pfaden berechnet werden:

[0070] Wenn die einzelnen Strömungspfade des Kanals gegeneinander abgedichtet wären (kein Fluidaustausch und kein Druckausgleich), dann wäre das treibende Druckgefälle Δp_o durch die Druckdifferenz im Eintritts- und Austrittskanal des Mediums definiert und die Länge L bei der Bestimmung des homogen parallel durchströmten Kanals ist die Gesamtlänge des Kanals.

[0071] Oftmals sind die einzelnen Pfade - wie vorliegend der Fall - nicht vollständig gegeneinander abgedichtet und es erfolgt ein teilweiser Druckausgleich zwischen den einzelnen Pfaden eines Kanals - wenn beispielsweise nur Sicken im Eintrittsbereich eine Querverteilung unterstützen oder ein Kühlmittelleitblech im Mittelteil oder auch im Ein-/Ausströmbereich als Stegrippe ausgeführt ist. Die Referenzlänge L_o muss in solchen Fällen nicht als Gesamtlänge des Strömungskanals sondern kürzer angesetzt werden. In solchen Fällen ist es für die Auslegung des Strömungsleitelementes sinnvoll die Länge L_o als den Längsbereich L_pfed anzusetzen, in der im Kanal des zweiten Mediums gegeneinander abgeschlossene Pfade (vom/zum Medienein-/-austritt) vorliegen. Zum Vergleich der Massenströme bzw. der Geschwindigkeiten (2) und (3) zwischen den einzelnen Pfaden und dem homogen parallel durchströmten Gesamtkanal wird das Integral (1) für die einzelnen Pfade nur bis zur Position L_o gebildet und nicht für den Gesamtpfad vom Ein- bis zum Austritt.

[0072] Im Sonderfall, dass diese Länge kürzer als der längste seitliche Abstand des Mittelpunktes des Medienein-/-austritts zur weiter entfernten Kanalwand (d.h. laterale Erstreckung der äußeren Begrenzungsstrukturen) Δy_EA ist, wird die Referenzlänge L_o = Δy_EA gesetzt.

[0073] Für ein Strömungsleitelement, insbesondere Kühlmittelleitblech, das im Ein-/Austrittsbereich die Querverteilung eines flüssigen Mediums unterstützen soll, können gemäß der hier gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform besonders sinnvoll definiert werden:

[0074] Jeder Strömungskanal ist im relevanten Bereich (Ein und/oder Ausströmungsbereich des zweien Fluids) zu jeder Seite in mindestens drei Pfade unterteilt, besser vier oder mehr Pfade - vorliegend sind es sechs Pfade P1-P6.

Die Pfade werden in folgender Weise gezählt:

[0075] Pfad P1: Der äußerste Pfad P1, der an seiner einen Seite von der Kanalwand begrenzt wird und an seiner anderen Seite an Pfad P2 grenzt. Er ist zunächst entlang der Kanalvorder-/-hinterkante in etwa quer zur Hauptströmungsrichtung des Wärmetauschers angeordnet (Querströmungsbereich) und wird anschließend nach einer in der Regel ca. 90°-Umlenkung parallel zur seitlichen Kanalwand geführt (Längsströmungsbereich). Liegt der Kühlmittelein-/-austritts innerhalb des Kanals und nicht an der Kanalseite, dann gibt es in Richtung jeder seitlichen Kanalwand einen Pfad P1.

[0076] Pfad P2: Der Pfad P2, der neben Pfad P1 im Kanal liegt.

[0077] Pfad P3....PN: die anschließenden Pfade - hier P3 bis P6.

[0078] Für die einzelnen Pfade werden jeweils folgende Breiten definiert:

b_Q: Breite im Querströmungsbereich;durchschnittliche Breite im überwiegend quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Teil des Pfades.

Im Pfad PN (hier P7 oder P6) - d.h. weitgehende Ab-/Zuströmung vom/zum Medienein-/austritt in Hauptströmungsrichtung; kein Segment des Pfades N mit ausgeprägter Querströmung. Für diesen Pfad wird der Öffnungsquerschnitt des Pfades am Medienein-/-austritt als Maß b_Q verwendet, um das Querschnittsverhältnis zwischen "quer" und längs durchströmtem Teil zu ermitteln.

b_L : Breite im Längsströmungsbereich;
für L_o = Kanallänge; Breite des Pfades in der Mitte des Wärmetauschers;
b_L = b(L_o/2)

andernfalls - Breite des Pfades an der Position L_o: b_L = b(L_o).

[0079] Damit ergeben sich geometrisch vorteilhafte Ausführungen, die in Ausführungsformen der Fig. 5 bis Fig. 8 realisiert sind.

• Pfade P1-P6 (P7) werden in Hauptströmungsrichtung in einem weiteren Bereich als die seitliche Ausdehnung Δy_EA weitgehend gegeneinander abgetrennt: L_Pfad > Δy_EA.
• Auch im Mittelteil 51.3 des Kühlers (zwischen dem Ein- und/oder Ausströmbereich mit Umlenkungen) ist bevorzugt der Queraustausch nicht vollständig freigegeben, sondern das Medium wird geführt (beispielsweise durch Längssicken oder eine Stegrippe im leichten Durchgang).
• Bei den ersten Pfaden P1, P2, insbesondre Pfad P1, wird die Geometrie gemäß der obigen Definition von v_rel bevorzugt so festgelegt, dass v_rel > 1, besonders v_rel > 1,1, insbesondere v_rel > 1,15 ist.
• Bevorzugt ist v_rel im Pfad P1 und im Pfad P2 größer 1,12.
• Bei den ersten Pfaden P1, P2, insbesondere Pfad P1, ist das Breitenverhältnis zwischen Querströmungsbereich und Längsströmungsbereich b_Q/b_L bevorzugt kleiner als bei den anderen Kanälen:
  
  
  Für n=N gilt insbesondere bevorzugt c>2, insbesondere c>5 am Besten c > 10. Die gleichen Verhältnisse gelten bevorzugt auch für Pfad P2 im Vergleich zu Pfad PN.
• Zur Erhöhung des treibenden Druckverlustes in den ersten Pfaden P1, P2 können die letzten Pfade PN, PN-1, d.h. vorliegend insbesondere P6, P5 aus der Gruppe der zweiten Pfade gedrosselt werden - beispielsweise durch teilweise Verblockung durch eine Quersicke bzw. durch eine schräg verzahnte Stegrippe oder eine Stegrippe im schweren Durchgang - die Stege stehen schräg oder quer zur Pfadrichtung.
• Im Falle von solchen teilweise verblockten Kanälen ist b_L als lichter Durchtrittsquerschnitt in Pfadrichtung definiert. Im Sonderfall einer Stegrippe im schweren Durchgang (Fluid mäandert durch die Rippe) wird der lichte Durchtrittsquerschnitt zu 0 und das Breitenverhältnis geht gegen unendlich: b_Q/b_L → ∞

[0080] Diesem Konzept folgend ergeben sich auch die Ausführungsformen der Fig. 7 und Fig. 8 ähnlich der in Fig. 6. Dabei wird ein Einströmbereich 51.1 in mehrere weitgehend gegeneinander dicht oder in Querrichtung schwer durchgängige Strömungspfade - P1 bis P6 oder P7 oder mehr - unterteilt. Wie in Fig. 6 bis Fig. 8 ersichtlich können dies drei Strömungspfade pro Seite oder in der Regel mehr als fünf Strömungspfade pro Seite sein. Das Konzept der Erfindung lässt sich auch anwenden auf eine geometrische Anordnung von Fluideintritt 24.1 und Fluidaustritt 24.2, die auf einer zentralen Achse 3 des Wärmetauschers erfolgt oder auch asymmetrisch - es kann auch ein vollkommen von einer Seite erfolgender Kühlmitteleintritt vorgesehen sein. Bei symmetrischer Verteilung sieht eine bevorzugte Ausführung vor, dass mindestens fünf Strömungspfade vorgesehen sind - zu jeder Seite zwei und mindesten ein weiterer in Längsrichtung. Bei asymmetrischer bzw. einseitiger Einströmung sind mindestens drei Pfade vorgesehen - zu jeder Seite mindestens zwei und ein weiterer in Längsrichtung.

[0081] Insgesamt ist den Ausführungsformen der Fig. 6 bis Fig. 8 gemeinsam, dass ein Querschnittsverhältnis, beispielsweise der Bereiche P1.1 zu P1.2 und/oder der Bereiche P1.1 zu P1.3 und gegebenenfalls weiterer Kanäle im Querbereich P2.1 zu P2.2 und/oder P2.2 zu P2.3 erheblich kleiner als das Querschnittsverhältnis der direkten in Längsrichtung verlaufenden so genannten "Mitten- oder Blockströmungspfade" - hier beispielsweise das Verhältnis in den Bereichen P5.1 zu P5.2 oder P6.1 zu P6.2 - ist. Das Querschnittsverhältnis zwischen Eintritt und Austritt aus dem Einströmbereich von Strömungspfad P1 zum Maximum nimmt bevorzugter Weise immer weiter zu.

[0082] Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass aus Gründen der Herstellung oder zur Darstellung konstruktiv bedingter geometrischer Anordnungen gewisse Strömungspfade nicht gemäß dieser Ordnung ausgebildet sind.

[0083] Insbesondere ist das Eintritts- zum Austrittsquerschnittsverhältnis der Strömungspfade in Längsrichtung, beispielsweise das Verhältnis der Bereiche P6.1 zu P6.2 mindestens dreimal so groß, bevorzugt mindesten sechsmal so groß, insbesondere mehr als zehnmal so groß wie das Querschnittsverhältnis in den Bereichen 1.1 zu 1.3.

[0084] Zusammenfassend geht die Erfindung aus von einem Strömungsleitelement 50 zur Anordnung in einem Wärmetauscher 10, 10' zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung 3 von einem Fluideintritt 24.1 zu einem Fluidaustritt 24.2. Gemäß dem Konzept der Erfindung weist das Strömungsleitelement 50 eine sich in Hauptströmungslängsrichtung 3 erstreckende flächlige Grundebene 52 auf, wobei sich über die Grundebene 52 hinaus wenigstens teilweise seitliche Begrenzungsstrukturen 57 zur Bildung wenigstens eines Strömungspfades 59, P1 - P7 erheben. Zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung 3 weist der wenigstens eine Strömungspfad 59, P1 - P7 einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand A_ein der seitlichen Begrenzungsstrukturen 57 und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand A_aus der seitlichen Begrenzungsstrukturen 57 auf, wobei die Abstände derart unterschiedlich sind, dass ein dem Strömungspfad zugeordneter Druckverlust des Fluids von einer dem strömungsaufwärtigen ersten Abstand zugeordneten Stelle zu einer dem strömungsabwärtigen zweiten Abstand zugeordneten Stelle anders als ein Druckverlust eines gedachten Strömungspfades mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen ist. Vorteilhaft ist ein solcher Strömungspfad geeignet, das Fluid vergleichsweise stärker in Bereiche besonders hohen Wärmetausches und/oder mit einer Kühlmittelunterversorgung zu führen bzw. das Fluid vergleichsweise schwächer Bereichen mit vergleichsweise geringem Wärmetausch und/oder mit einer Kühlmittelüberversorgung zuzuführen.

Bezugszeichenliste

[0085] 

1

erstes Fluid, Abgas

2

zweites Fluid, Kühlmittel

2.1, 2.2

zweites Fluid, Niedertemperaturkühlmittel

3

Hauptströmungslängsrichtung, zentrale Achse

4.1

Einführstutzen

4.2

Abführstutzen

5.1, 6.1

Fluideintrittsöffnung

5.2, 6.2

Fluidaustrittsöffnung

7.1

Eintrittsdiffuser

7.2

Austrittsdiffuser

10, 10'

Wärmetauscher

10.1

Hochtemperaturstufe

10.2

Niedertemperaturstufe

11

Gehäuse

12

Gehäusedeckel

13

Block

20

Strömungskanal

21.1, 21.2, 21.3

Platten

23, 25

Zwischenraum

24.1

Fluideintritt

24.2

Fluidaustritt

40

Wärmeverteilung

41

Wärmeeintrag

50

Strömungsleitelement

51.1

Einströmteil

51.2

Austrittteil

51.3

Mittenteil

52

Grundebene

53

Stegrippen

55

Durchtrittsöffnungen

56.1, 26.2

Reihe

57

Begrenzungsstrukturen

59

Strömungspfad, Strömungskanal

61

Oberseite

63

Unterseite

65

Vorderkante

P1.1 - P6.1

strömungsaufwärtige Querschnitte

P1.2 - 4.2, P1.3-3.3

strömungsabwärtige Querschnitte

P1 - P6

Strömungspfad

a

Einströmbereich

s

Seitenbereich

v

Vorderkante

z

zentraler Bereich

m

Erstreckung

a

Ausdehnung

Ansprüche

1. Strömungsleitelement (50), insbesondere in Form eines Tiefzieh-Stanz- oder Pressteils, zur Anordnung in einem Wärmetauscher (10, 10') zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung (3) von einem Fluideintritt (24.1) zu einem Fluidaustritt (24.2),
gekennzeichnet durch
eine sich in Hauptströmungslängsrichtung (3) erstreckende flächige Grundebene (52), wobei sich über die Grundebene (52) hinaus wenigstens teilweise seitliche Begrenzungsstrukturen (57) zur Bildung und wenigstens teilweisen seitlichen Begrenzung einer Anzahl von Strömungspfaden (59, P1 - P7) erheben, und zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung (3) wenigstens ein Strömungspfad (59, P1 - P7) einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand (A_ein) zwischen zwei dem Strömungspfad zugeordneten seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand (A_aus) der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) aufweist, wobei die Abstände unterschiedlich sind.

2. Strömungsleitelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstände derart unterschiedlich sind, dass ein dem Strömungspfad (59) zugeordneter Druckverlust des Fluids von einer dem strömungsaufwärtigen ersten Abstand zugeordneten ersten Stelle zu einer dem strömungsabwärtigen zweiten Abstand zugeordneten zweiten Stelle anders ist als ein Druckverlust eines gedachten Strömungspfades mit im wesentlichen gleichbeabstandeten Begrenzungsstrukturen.

3. Strömungsleitelement (50) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungspfad (59) einen sich, vorzugsweise kontinuierlich, verändernden Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) aufweist.

4. Strömungsleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier vorzugsweise mehr als vier Strömungspfaden (59, P1 - P7) vorgesehen ist.

5. Strömungsleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl von Strömungspfaden (59, P1 - P7) auf einer lateralen Erstreckung (Δy_EA) zwischen zwei äußeren, seitlichen Begrenzungsstrukturen der Strömungsführung nebeneinander angeordnet sind.

6. Strömungsleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein erster (P1, P2) und wenigstens ein zweiter (P2 - P7) Strömungspfad vorgesehen ist, wobei ein erster Strömungspfad lateral außerhalb neben einem zweiten Strömungspfad angeordnet ist, bzw. ein zweiter Strömungspfad lateral innerhalb neben einem ersten Strömungspfad angeordnet ist.

7. Strömungsleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein erster (P1,P2) und wenigstens ein zweiter (P2-P7) Strömungspfad vorgesehen ist, wobei ein erster Strömungspfad einer äußeren, seitlichen Begrenzungsstruktur näher angeordnet ist als ein zweiter (P2-P7) Strömungspfad bzw. ein zweiter Strömungspfad (P2-P7) einem Fluideintritt (24.1) oder einem Fluidaustritt (24.2) näher angeordnet ist als ein erster (P1, P2) Strömungspfad.

8. Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein erster (P1, P2) und ein zweiter (P3-P7) Strömungspfad (59) vorgesehen ist, wobei von einer strömungsaufwärtigen ersten Stelle zu einer strömungsabwärtigen zweiten Stelle entlang der Hauptströmungslängsrichtung (3) der erste Strömungspfad (P1, P2, P3, P4) länger als der zweite Strömungspfad (P5, P6)ist.

9. Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Strömungspfad (P1 - P4) einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand (P1.2, P2.2, P3.2) der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand (P1.3, P2.3, P3.3) der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) aufweist, wobei der erste Abstand geringer als der zweite Abstand ist, insbesondere ein Abstandsverhältnis des ersten Abstands zum zweiten Abstand geringer als bei einem zweiten Strömungspfad ist.

10. Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Strömungspfad (P5, P6) einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand (P5.1, P6.1) der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand (P5.2, P6.2) der seitlichen Begrenzungsstrukturen (57) aufweist, wobei der erste Abstand größer als der zweite Abstand ist, insbesondere ein Abstandsverhältnis des ersten Abstands zum zweiten Abstand größer als bei einem ersten Strömungspfad ist.

11. Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Strömungspfad (P5, P6) im wesentlichen in Hauptströmungslängsrichtung (3) verläuft, insbesondere vergleichsweise direkt , insbesondere längserstreckt oder diametral zur flächigen Grundebene (52), von einem Fluideintritt (24.1) zu einem Fluidaustritt (5.2, 6.2, 24.2) hin orientiert ist, insbesondere praktisch keinen quer zu der Hauptströmungslängsrichtung (3) verlaufenden Querbereich aufweist, bzw. praktisch nur etwa einen in Hauptströmungslängsrichtung (3) verlaufenden Längsbereich aufweist.

12. Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Abstandsverhältnis eines ersten stromabwärtigen Abstands zu einem zweiten stromabwärtigen Abstands von Pfad zu Pfad zwischen einem ersten Strömungspfad (P1) und einem zweiten Strömungspfad (P6) zunimmt, insbesondere bei einem zweiten Strömungspfad (P6) im Bereich des zwei- bis zehnfachen eines ersten Strömungspfades (P1) liegt, vorzugsweise beim 3-fachen, 6-fachen oder 10-fachen.

13. Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Strömungspfad (P1, P2, P3, P4), insbesondere außer einem praktisch nur in Hauptströmungslängsrichtung (3) verlaufenden Längsbereich, wenigstens bereichsweise einen quer zur Hauptströmungslängsrichtung (3) verlaufenden Querbereich aufweist, insbesondere im Bereich eines Fluideintritts (24.1) und/oder Fluidaustritts (5.2, 6.2, 24.2), insbesondere vergleichsweise indirekt, insbesondere umfangsnah und/oder nahe der Vorderkante (65) der flächigen Grundebene (52), von einem Fluideintritt (5.1, 6.1, 24, 24.1) zu einem Fluidaustritt (5.2, 6.2, 24.2) hin orientiert ist.

14. Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Strömungspfad (P1, P2, P3, P4) ausgelegt ist, einen erhöhten Fluiddurchsatz zu führen im Vergleich zu einem ersten Strömungspfad in einer ansonst gleichen, gedachten Strömungspfadanordnung mit einem im wesentlichen gleichbeabstandete Begrenzungsstrukturen aufweisenden ersten und zweiten Strömungspfad.

15. Wärmetauscher (10, 10') zum Wärmetausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid aufweisend:

- einen in einem Gehäuse (11) angeordneten Block (13) zur voneinander getrennten und wärmetauschenden Führung des ersten Fluids und des zweiten Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung (3) von einem Fluideintritt (24.1) zu einem Fluidaustritt (24.2), wobei zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines der Fluids, insbesondere des zweiten Fluids, ein Strömungsleitelement (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 vorgesehen ist.

Zeichnung