Vorrichtung zum Austausch von Wärme und Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft einerseits eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme. Andererseits betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.

Eine Wärmeenergierückgewinnung aus Abgasen einer Brennkraftmaschine erlangt auch im Bereich des Kraftfahrzeugwesens eine stetig steigende Bedeutung. Insbesondere rückt hierbei die Wärmeenergierückgewinnung mittels Abgasverdampfer immer weiter in den Fokus, um hierbei eine Effizienz- Steigerung hinsichtlich des Betriebs der Brennkraftmaschine zu erzielen. In einem Abgasverdampfer wird dem Abgas Wärme entzogen, die einem Kühloder Kältemittel zugeführt wird, welches dabei üblicherweise verdampft wird. Die dem Abgas entzogene Wärmeenergie kann etwa für einen nachgeschalteten Clausius-Rankine-Prozess verwendet werden.

Beispielsweise beschäftigt sich mit dieser Thematik die Druckschrift DE 601 23 987 T2, in welcher ein Rankine-Zyklussystem im Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine beschrieben ist, bei welchem unter Verwendung eines Verdampfers mittels Wärmeenergie eines Abgases der Brennkraftma- schine ein Hochtemperatur- und Hochdruckdampf erzeugt werden kann.

BESTäT1GUNGSKOPIE

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme besonders kompakt und effizient zu bauen, insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug.

Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie von einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Grundgedanke der Erfindung ist es, in einem Scheibenwärmeübertrager eines der beteilig- ten Medien innerhalb einer der gestapelten Ebenen serpentinenartig zu führen.

Dadurch, dass der vorliegende Abgasverdampfer in einer sogenannten Sandwichbauweise ausgestaltet ist, bei welcher Abgasebenen und Kühlmit- telebenen abwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, können die Abgasebenen mit den Kühlmittelebenen großflächig in Kontakt treten, so dass ein Wärmeenergieübergang von den Abgasen zu dem Kühlmittel besonders schnell und effektiv erfolgen kann.

Auf Grund der großen zur Verfügung stehenden Kontaktflächen zwischen einer Abgasseite und einer Verdampferseite des Abgasverdampfers kann dieser zudem sehr kompakt gebaut werden. Dies ist insbesondere im Kraftfahrzeugwesen besonders von Vorteil, da hier Komponenten eines Kraftfahrzeuges möglichst wenig Bauraum einnehmen und zugleich sehr leicht ausgebildet sein sollen. So liegt mittels der Sandwichbauweise vorteilhafter Weise eine sehr leistungsstarke Konstruktion hinsichtlich dem Zusammenspiel der Abgasseite und der Verdampferseite des Abgasverdampfers vor.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein erster Strömungsraum einen ersten Strömungspfad mit nacheinander in entgegengesetzten Richtungen durchströmbaren Strömungspfadabschnitten für das erste Medium auf. Be-

vorzugt sind die Strömungspfadabschnitte durch eine zwischen den zumindest zwei Scheiben des zumindest einen Scheibenpaares angeordnete Trennwand voneinander getrennt.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher zwei unmittelbar nacheinander durchströmbare Strömungspfadabschnitte über einen Umlenkabschnitt miteinander verbunden sind. Gemäß einer vorteilhaften Variante ist der Umlenkabschnitt durch eine Aussparung, besonders vorteilhaft einen Durchbruch in der Trennwand gebildet. Gemäß einer anderen vorteilhaften Variante ist der Umlenkabschnitt durch eine zwischen der Trennwand und einer seitlichen Begrenzung des ersten Strömungsraums, besonders vorteilhaft dem Scheibenpaar verbleibenden Lücke gebildet.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher zwei oder mehr als zwei Trennwände miteinander einstückig ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind die zwei oder mehr Trennwände durch eine zwischen den zumindest zwei Scheiben des zumindest einen Scheibenpaares angeordnete und insbesondere als Wellblech ausgebildete Zusatzscheibe gebildet.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher zumindest ein Strömungspfadabschnitt einen, zwei oder mehr als zwei zueinander parallel durchströmbare Strömungskanäle aufweist. Besonders bevorzugt sind zumindest zwei der Strömungskanäle des zumindest einen Strömungspfadabschnittes über den Umlenkabschnitt miteinander verbunden. Durch eine vorbestimmte Anzahl von parallelgeschalteten Strömungskanälen ist für einen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Druckverlust einerseits und eine Verweildauer des ersten Mediums in dem ersten Strömungsraum andererseits einstellbar.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Strömungskanäle an ihren Stirnseiten verschlossen sind, vorteilhaft durch eine Begrenzung des

ersten Strömungsraums, besonders vorteilhaft durch eine oder beide Scheiben des Scheibenpaars.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher an einer ersten Trennwand eines ersten Strömungskanals an einer ersten Stirnseite des ersten Strömungskanals ein erster Umlenkabschnitt zu einem zweiten Strömungskanal und an einer zweiten Trennwand des ersten Strömungskanals an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des ersten Strömungskanals ein zweiter Umlenkabschnitt zu einem von dem zweiten Strö- mungskanal unterschiedlichen dritten Strömungskanal angeordnet sind.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Strömungskanäle gemeinsam mit den Umlenkkanälen einen einzigen serpentinenartig mäandrie- renden Strömungspfad durch den ersten Strömungsraum bilden.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der erste und der zweite Strömungsraum in unterschiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmbar sind.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der zweite Strömungsraum einen größeren Strömungsquerschnitt als ein Strömungspfadabschnitt des Strömungspfades in dem ersten Strömungsraum, insbesondere einen größeren Strömungsquerschnitt als der erste Strömungsraum aufweist. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere für den Betrieb mit einem flüssigen, gegebenenfalls verdampfenden ersten Medium und einem gasförmigen zweiten Medium ausgelegt.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasleitung eingesetzt und vorteilhaft zum Austausch von Wärme zwischen einem Kühlmittel insbesondere eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors und dem Abgas oder zwischen einem

Kältemittel eines Kältekreislaufs einer Klimaanlage und dem Abgas, wobei das Kühlmittel oder das Kältemittel insbesondere in der Vorrichtung verdampft wird, eingesetzt. Das Abgas ist dabei vorzugsweise das zweite Medium. Bevorzugt sind dabei die ersten Strömungskanäle im Wesentlichen vertikal, besonders bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu einer Standfläche des Kraftfahrzeugs angeordnet.

Unter dem Begriff „Abgasanlage" versteht man vorliegend jegliche Komponenten, durch welche Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Verlas- sen der Brennkraftmaschine geleitet werden. So erfasst der Begriff „Abgasanlage" auch Komponenten einer Abgasrückführung. Insbesondere in einer solchen Abgasrückführung kann der hier beschriebene Abgasverdampfer vorteilhaft integriert sein.

Mit dem Begriff „Kühlmittel" wird jedes verdampfbare Arbeitsmedium beschrieben, mittels welchem Wärmeenergie in ausreichender Menge aufgenommen und transportiert werden kann. Insbesondere Wasser, welches auch als Wasserdampf vorliegen kann, eignet sich hierzu besonders gut.

Der Begriff „Sandwichbauweise" ist im Wesentlichen selbsterklärend, wobei insbesondere im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Abgasverdampfer klar ist, dass die Abgasebenen mit den Kühlmittelebenen alternierend im bzw. am Abgasverdampfer angeordnet sind. Oftmals wird für den Begriff „Sandwichbauweise" auch die Bezeichnung „Scheibenbauweise" verwendet.

Somit ist es auch vorteilhaft, wenn abgasseitig mehr als eine Abgasebene und/oder kühlmittelseitig mehr als eine Kühlmittelebene vorgesehen sind, da ein Wärmeübertrag zwischen den Abgasen und dem Kühlmittel insbesonde- re mit mehreren Abgas- bzw. Kühlmittelebenen deutlich effektiver realisiert werden kann. Insbesondere die Kühlmittelebenen können parallel geschaltet

sein, so dass gewährleistet ist, dass alle Kühlmittelebenen unabhängig voneinander mit Kühlmittel versorgbar sind. Möglich ist aber auch, dass eine oder mehrere Kühlmittelebenen in Reihe zueinander geschaltet sind.

Hierbei stoßen die Abgasebenen und die Kühlmittelebenen vorteilhafter Weise mit ihren jeweiligen Breitseiten unmittelbar aneinander bzw. die Abgasebenen und die Kühlmittelebenen sind lediglich durch eine gut wärmeleitende Trenneinrichtung voneinander abgegrenzt angeordnet. Vorzugsweise ist jede der Kühlmittelebenen beidseits von jeweils einer Abgasebene einge- schlössen, so dass die Kühlmittelebenen immer von zwei Seiten erwärmt bzw. erhitzt werden.

Damit die Abgase einerseits in der Abgasebene und das Kühlmittel andererseits in der Kühlmittelebene vorteilhaft durch den Abgasverdampfer geleitet werden können, sieht eine vorteilhafte Ausführungsvariante vor, dass der Abgasverdampfer abgasseitig eine Abgasleiteinrichtung und/oder verdamp- ferseitig eine Kühlmittelleiteinrichtung aufweist, welche räumlich voneinander getrennt sind.

Die Kühlmittel können hierbei besonders vorteilhaft entlang und in der Kühlmittelebene geleitet werden, wenn in jeder der Kühlmittelebenen mehrere parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle, wie Strömungskanäle, angeordnet sind. Hierbei können insbesondere lange, enge Kühlmittelkanäle vorteilhaft vorgesehen werden, in welchen sich das Kühlmittel schnell erhit- zen kann.

Allein schon durch die beschriebene Sandwichbauweise, bei welcher Abgasebenen und Kühlmittelebenen direkt nebeneinander angeordnet sein können, kann eine hohe Leistung hinsichtlich des Abgasverdampfers bei einem nur gering benötigten Bauraum erzielt werden. Dadurch, dass vorliegend zusätzlich Abgaskanäle bzw. Kühlmittelkanäle in den einzelnen Ebe-

nen des Abgasverdampfers vorgesehen werden können, kann selbst bei sehr knapp vorgegebenen Bauraumrandbedingungen eine hohe Leistung bzw. eine Leistungssteigerung erzielt werden.

Entsprechend vorteilhaft ist es, wenn zum Leiten die Abgase auch in der Abgasebene mehrere parallel zueinander verlaufende Abgaskanäle angeordnet sind. Beispielsweise können diese Abgaskanäle hinsichtlich ihrer Stirnseiten von einer Abgasverdampfereingangsseite zu einer Abgasverdampferaus- gangsseite linear durch den Abgasverdampfer verlaufen. Die Abgaskanäle sind an ihren Stirnseiten jeweils geöffnet, so dass die Abgase über öffnungen in den Stirnseiten in die Abgaskanäle einströmen und wieder herausströmen können. Hierbei ist vorzugsweise eine Vielzahl an Abgaskanäle in der Abgasebene nebeneinander angeordnet, so dass mehrere Abgaskanäle zwischen einem ersten Seitenbereich und einem zweiten Seitenbereich an- geordnet sind. So können die Abgase breitflächig in der Vielzahl der Abgaskanäle in eine erste Hauptströmungsrichtung durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden.

Der Abgasverdampfer kann hierbei besonders einfach konstruiert werden, wenn die Kühlmittelkanäle auf der Verdampferseite ähnlich oder sogar identisch ausgerichtet angerordnet sind, wie die Abgaskanäle auf der Abgasseite.

Damit jedoch das Kühlmittel Wärmeenergie aus den Abgasen besonders effektiv aufnehmen kann, ist es vorteilhaft, wenn das Kühlmittel ausreichend lang in dem Abgasverdampfer verweilen kann. Dies kann beispielsweise einerseits realisiert werden, indem das Kühlmittel mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit den Abgasverdampfer passiert. Andererseits kann der Abgasverdampfer länger ausgebildet werden. Eine bevorzugte Ausfüh- rungsvariante sieht vor, dass das Kühlmittel in dem Abgasverdampfer in einer Kühlmittelebene eine besonders lange Wegstrecke durch den Abgasver-

dampfer zurück legen kann. Baulich besonders einfach kann eine solch lange Wegstrecke in einer Kühlmittelebene realisiert werden, wenn die Kühlmittelkanäle räumlich untereinander verbunden sind. Durch die räumliche Verbindung kann das Kühlmittel von einem Kühlmittelkanal zu einem weiteren Kühlmittelkanal strömen und somit zeitlich besonders lang in dem Abgasverdampfer verweilen.

Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle an ihren Stirnseiten verschlossen sind. Hierdurch ist es nicht erfor- derlich, dass öffnungen an Stirnseiten beispielsweise zweier unmittelbar nebeneinander und/oder miteinander korrespondierender Kühlmittelkanäle durch eine geeignete Verrohrung miteinander verbunden werden müssen. Vielmehr können geeignete Verbindungsöffnungen zwischen zwei Kühlmittelkanälen in einer gemeinsamen Trennwand vorgesehen sein.

So sieht eine bevorzugte Ausführungsvariante auch vor, dass an einer ersten Trennwand eines ersten Kühlmittelkanals an der ersten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine erste Verbindungsöffnung zu einem zweiten Kühlmittelkanal und an einer zweiten Trennwand des ersten Kühlmittelkanals an einer zweiten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine zweite Verbindungsöffnung zu einem weiteren Kühlmittelkanal angeordnet sind. Hierdurch können alle Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene zu einer mäandrierenden Kühlmittelwegstrecke zusammengefasst werden. Grundsätzlich können solche Verbindungsöffnungen an jeder Trennwand vorgesehen sein. Auch kön- nen Kühlkanäle parallel geschaltet werden, in dem die Verbindungsöffnungen in geeigneter Weise an den Trennwänden und/oder an den Stirnseiten vorgesehen werden.

Um eine möglichst lange Kühlmittelwegstrecke in einer der Kühlmittelebenen bereitstellen zu können, ist es deshalb vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle

gemeinsam eine einzige mäandrierende Kühlmittelwegstrecke durch den Abgasverdampfer bilden.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Abgasverdampfer eine Kühlmittelwegstre- cke und eine Abgaswegstrecke aufweist, wobei die Kühlmittelwegstrecke anders orientiert in dem Abgasverdampfer angeordnet ist als die Abgaswegstrecke. Hierdurch können die Abgase und das Kühlmittel beispielsweise im Kreuzstrom den Abgasverdampfer durchströmen. Es ist klar, dass die Abgase und die Kühlmittel bei entsprechend gewählten Kanälen auch im Gegens- trom zueinander strömen könnten.

Gerade in diesem Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gelöst, bei welchem Abgase der Brennkraftmaschine mittels einer Abgasanlage in die Umgebung geleitet werden und den Abgasen zuvor mittels verdampfbarer Kühlmittel Wärmeenergie entzogen wird, und bei welchem die Abgase innerhalb eines Abgasverdampfers in eine erste Hauptströmungsrichtung und die Kühlmittel in eine der ersten Hauptströmungsrichtung entgegen gesetzte Hauptströmungsrichtung durch den Abgasverdamp- fer hindurch geleitet werden, wobei die Kühlmittel streckenweise quer zu den Hauptströmungsrichtungen durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden. Vorteilhafter Weise werden die Abgase und das Kühlmittel hierbei nicht nur im Gegenstrom zueinander durch den Abgasverdampfer hindurch bewegt, sondern auch im Kreuzstrom, wodurch insbesondere das Kühlmittel zeitlich besonders lang in dem Abgasverdampfer verbleiben und sich hierbei besonders gut erwärmen bzw. erhitzen kann.

Es versteht sich, dass sowohl die Abgaskanäle als auch die Kühlmittelkanäle unterschiedlich in dem Abgasverdampfer angeordnet sein können. Um in- sbesondere die Gefahr zu verringern, dass es in einem der Kühlmittelkanäle zu einer kritischen Ansammlung von Flüssigkeit, insbesondere von Wasser,

kommen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen vertikal ausgerichtet innerhalb des Abgasverdampfers, insbesondere im Wesentlichen vertikal zu einer Fahrbahnoberfläche, angeordnet sind.

Mittels der Verbindungsöffnungen, welche idealerweise sehr nahe an den Stirnseitenwandungen angeordnet sind, kann zudem vermieden werden, dass an der Unterseite einer Kühlmittelebene Sammelbecken für etwa noch nicht verdampftes Wasser entstehen. Hierdurch kann die Gefahr einer Leistungsverminderung des Abgasverdampfers auf Grund solcher Wassersam- meisteilen vermieden werden. Bei einer diesbezüglich besonders vorteilhaften Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den Verbindungsöffnungen auch insbesondere eine Einlassöffnung der Kühlmittelebenen an der Unterseite platziert ist, so dass betriebssicher gewährleistet werden kann, dass die Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene anfänglich mit Kühlmittel, insbesondere mit Wasser, versorgt sein können. Das heißt, an allen Kühlmittelkanälen des Abgasverdampfers steht vor einer Inbetriebnahme einer Brennkraftmaschine idealerweise Kühlmittel zur Verfügung, so dass eine gleichmäße Verdampfung des Kühlmittels in den Kühlmittelebenen gewährleistet werden kann.

Solange eine kritische Wasseransammlung in einem der Kühlmittelkanäle bzw. einer der Kühlmittelebenen vermieden werden kann, ist es möglich, die Kühlmittelkanäle bzw. die Kühlmittelebenen auch aus einer vertikalen Ausrichtung heraus ausgelenkt in dem Abgasverdampfer vorzusehen. Ein ent- sprechend einzustellender unkritischer Neigungswinkel des Abgasverdampfers, bei welchem noch vermieden ist, dass etwa ein Randkühlmittelkanal und/oder eine Randkühlmittelebene mit Wasser kritisch geflutet ist, aber ein gegenüberliegender Randkühlmittelkanal und/oder eine gegenüberliegende Randkühlmittelebene nicht, kann ein solcher noch erlaubter und unkritischer Neigungswinkel vorsorglich um mehr als 5°, idealerweise um ca. 10°, reduziert werden, so dass ungünstigen Schräglagen, beispielsweise auf Grund

eines geneigten Einbaus einer Brennkraftmaschine, einer Abgasanlage in einem Kraftfahrzeug und/oder einer ungünstigen Schräglage des Fahrzeuges an sich, vorgebeugt werden kann.

Mit der Begriffsergänzung „Rand" können Kühlmittelkanäle und/oder Kühlmittelebenen zusätzlich gekennzeichnet werden, welche gegenüber den übrigen Kühlmittelkanälen bzw. Kühlmittelebenen außen am Abgasverdampfer angeordnet sind.

Der vorstehend erwähnte Neigungswinkel kann idealerweise von einer Vertikalebene aus gemessen werden.

Somit kann besonders sichergestellt werden, dass anfänglich alle Kühlmittelkanäle mit einem flüssigen Kühlmittel bzw. mit Wasser versorgt sind. Hier- durch wird die Gefahr verringert, dass beispielsweise ein anfänglich nicht mit Wasser versorgter Kühlmittelkanal das verdampfende Wasser alleine fördert.

Die Kanäle des Abgasverdampfers können vielfältig gebildet und ausgestal- tet sein. Beispielsweise können insbesondere die Kühlmittelkanäle als Rohrbündel oder in Plattenbauweise mit Trennstegen ausgebildet sein. Baulich besonders einfach ist der Abgasverdampfer herstellbar, wenn Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene mittels eines in der Ebene mehrfach gefalteten Wellblechs gebildet sind.

Ein solches Wellblech kann beispielsweise im Verbund mit parallel zu den vorliegenden Ebenen angeordneten Trennblechen vorteilhaft die hier beschriebenen Kanäle bilden, wobei die Abgaskanäle auch besonders einfach mittels an einem solchen Trennblech angeordneten Trennstegen realisiert werden können.

Um möglichst wenig Strömungsverluste innerhalb der Kanäle zu haben, können bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante glatte Kanalwandungen vorgesehen sein. Insbesondere können durch unterschiedlich gewählte Dimensionierungen der Kanalseitenwandungen bzw. Kanalboden- Wandungen die Abmessungen der Kühlkanäle nahezu beliebig beeinflusst werden.

Beispielsweise kann eine änderung der Kanalbreite einen Druckverlust und/oder eine Veränderung der Wärmeenergieübertragungsfläche mit sich bringen. Auch kann die Breite der Kanäle die Kanalanzahl in einem Abgasverdampfer und/oder die Gesamtwegstrecke einer Kühlmittelwegstrecke einer Kühlmittelebene beeinflussen.

Auch die Abgasleiteinrichtung und die Kühlmittelleiteinrichtung können bau- lieh vielfältig gestaltet sein. Aus den heißen Abgasen kann Wärmeenergie besonders gut in das Kühlmittel übergehen, wenn die Abgasleiteinrichtung in einer Abgasebene im Parallelstrom und die Kühlmittelleiteinrichtung in einer Kühlmittelebene im Serpentinenstrom ausgebildet sind. Dadurch, dass die Abgasleiteinrichtung im Parallelstrom durchströmt wird, können die Abgase den Abgasverdampfer beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit und unkritischem Staudruck passieren, während das Kühlmittel durch den Serpentinenstrom ausreichend lang in dem Abgasverdampfer verweilen kann, so dass es die Wärmeenergie besonders effektiv aufnehmen kann.

Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen an dem vorliegenden Abgasverdampfer vorgenommen werden können. Insbesondere die Strömungsführung in Abgasverdampfern kann ein ausschlaggebendes Kriterium für eine besonders gute Leistungsfähigkeit sein. Darüber hinaus kann mit entsprechend steif ausbildeten Kanä- len die Festigkeit eines Abgasverdampfers wesentlich beeinflusst werden.

Die Leistungsfähigkeit kann hierbei in zwei Optimierungsrichtungen verlaufen. Zum einen will man einen minimalen Druckverlust erzielen, indem möglichst keine Umlenkungen noch innere Strukturen innerhalb einer Wegstrecke vorhanden sind. Zum anderen soll eine möglichst große Fläche für eine Wärmeenergieübertragung zur Verfügung stehen. Für den Druckverlust sollte zusätzlich beachtet werden, dass das Arbeitsmedium seine Dichte mit der änderung des Aggregatzustandes, insbesondere von flüssig zu gasförmig, sehr verringert und dies die Strömungsgeschwindigkeit vervielfachen kann. Es muss daher ein spezifisches Optimum zwischen Druckverlust und Wär- meleistung gefunden werden.

Insbesondere bei Abgasverdampfern ist die Festigkeit, wie vorstehend bereits erwähnt, ein weiteres wichtiges Thema, da das Arbeitsmedium, insbesondere ein Kühlmittel, meist bei Arbeitsdrücken über dem Umgebungsdruck betrieben werden muss, um eine ausreichend gute Effektivität im Zusammenhang mit dem Abgasverdampfer erzielen zu können. Somit müssen auch die gewählten Geometrien der verwendeten Bauteile etwa die durch die auftretenden Arbeitsdrücke entstehenden Drückkräfte problemlos aufnehmen können. Thermische Spannungen, etwa hervorgerufen durch Tempera- turdifferenzen zwischen den beiden Arbeitsmedien, also den Abgase einerseits und dem Kühlmittel andererseits, müssen ebenfalls aufgenommen werden können. Auch die gewählte Blechdicke eines Wellbleches hat einen direkten Einfluss auf die Festigkeit, insbesondere wenn einzelne Blechbereiche des Abgasverdampfers als Zuganker verwendet werden. Weiter kann sich die Blechdicke auf die Wärmeleitfähigkeit auswirken.

Eine weitere Möglichkeit, die Effektivität zu Steigern kann darin liegen, dass in den Kanälen turbulenzerzeugende Gebilde vorgesehen werden. Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau des vorliegenden Abgasverdampfers, insbesondere im Hinblick auf ein in einer Ebene mehrfach gefaltetes Wellblech, kann dies problemlos gewährleistet werden.

Der hier beschriebene Abgasverdampfer kann in nahezu aiien Kraftfahrzeugen vorteilhaft eingesetzte werden, insbesondere auch in Nutzkraftwagen.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft ein Abgasverdampfer dargestellt ist. Es zeigen

Figur 1 schematisch eine Ansicht eines Kraftfahrzeuges mit einer Brenn- kraftmaschine und einer Abgasanlage mit einem Abgasverdampfer,

Figur 2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Abgasverdampfers aus der Figur 1 ,

Figur 3 schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht des Abgasverdampfers aus den Figuren 1 und 2,

Figur 4 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Wellbleches des Abgasverdampfers aus den Figuren 1 bis 3 zum Realisieren einer ersten Kühlmittelebene, und

Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines alternativen Wellbleches.

Das in der Figur 1 gezeigte Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Brennkraftmaschi- ne 2 mit einer nachgeschalteten Abgasanlage 3, bei welcher in diesem Ausführungsbeispiel in einem Abgasstrang 4 ein Abgasverdampfer 5, ein Katalysator 6, ein Mittelschalldämpfer 7 und ein Endschalldämpfer 8 angeordnet sind. Das Kraftfahrzeug 1 steht mit vier Rädern 9 (hier nur exemplarisch beziffert) auf einem Fahrbahnuntergrund 10, welcher nach der Darstellung der Figur 1 in der Papierebene liegt.

Der Abgasverdampfer 5 ist in den Figuren 2 bis 4 schematisch detailierter dargestellt, wobei insbesondere in der Figur 2 die Sandvvichbauweise 11 des Abgasverdampfers 5 deutlich mit seinen vielen Abgasebenen 12 (hier nur exemplarisch beziffert) und mit seinen vielen Kühlmittelebenen 13 (hier ebenfalls nur exemplarisch beziffert) zu erkennen ist. Die Abgasebenen 12 sind hierbei hinsichtlich ihrer Dicke 14 etwas stärker ausgebildet als die schmaleren Kühlmittelebenen 13, so dass Abgase die Abgasebenen 12 schnell passieren können. Vorteilhafter Weise sind in der hier gewählten Sandwichbauweise 11 die beiden äußeren Ebenen Abgasebenen 12, so dass gewährleistet ist, dass alle Kühlmittelebenen 13 beidseitig von Abgasebenen 12 umschlossen sind. Hierdurch kann das Kühlmittel in den Kühlmittelebenen 13 besonders schnell erhitzt werden.

Sowohl die Kühlmittelebenen 13 als auch die Abgasebenen 12 sind in dem Abgasverdampfer 5 in vertikaler Ausrichtung 15 angeordnet, wobei die Unterseite 16 des Abgasverdampfers 5 dem Fahrbahnuntergrund 10 zugewandt ist. Gemäß der Sandwichbauweise 11 des vorliegenden Abgasverdampfers 5 folgt auf eine Abgasebene 12 eine Kühlmittelebene 13.

Das Kühlmittel, welches in diesem Ausführungsbeispiel Wasser bzw. im erhitzten Zustand Wasserdampf 17 (siehe Figur 3) ist, gelangt über eine Einlassöffnung 18 (siehe Figur 4) in einen Kühlmittelkanal 19 gemäß einer Hauptströmungsrichtung 20. Das Kühlmittel mäandriert in den Kühlmittelebenen 13 durch den Abgasverdampfer 5 und nimmt hierbei mehr und mehr Wärmeenergie aus den Abgasen auf, welche die Abgasebenen 12 gemäß der Hauptströmungsrichtung 21 im Wesentlichen linear durchströmen.

Während das Kühlmittel entlang einer Kühlmittelwegstrecke 22 mäandrie- rend durch die Kühlmittelebene 13 strömt, gelangt es über Verbindungsöff- nungen 23 (hier nur exemplarisch beziffert) durch einzelne Trennwände 24

(hier nur exemplarisch beziffert) jeweils in weitere Kühlmittelkanäle 25 (hier

nur exemplarisch beziffert) der Kühlmittelebenen 13 und schlängelt sich so entlang der Hauptströmungsrichtung 20. AiIe Kühimittelkanäle 19 und 25 sind im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen in vertikaler Ausrichtung 15 in der jeweiligen Kühlmittelebene 13 angeordnet. Hierbei werden die Kühlkanäle 19 bzw. 25 entweder in einer ersten Nebenströmungsrichtung 26 oder in einer zweiten Nebenströmungsrichtung 27 durchströmt, welche quer zu den beiden Hauptströmungsrichtungen 20 und 21 verlaufen.

Eine Kühlmittelleiteinrichtung 28, wie sie in einer der Kühlmittelebenen 13 des Abgasverdampfers 5 mehrere Kühlkanäle 19 bzw. 25 bereit stellen kann, besteht hier aus einem Wellblech 29 mit einer Glattrippengeomethe 30. Mittels des Wellblechs 29 ist die Kühlmittelleiteinrichtung 28 baulich besonders einfach bereit gestellt. Es versteht sich, dass je nach dem wie die Glattrippengeomethe 30 hinsichtlich einer Rippenbreite 31 und/oder einer Rippenhöhe 32 gewählt wird, die Gesamtlänge der Kühlmittelwegstrecke 22 und die Anzahl der Kühlmittelkanäle 19, 25 variiert werden können. Hierbei bestimmen die Rippenhöhe 32 insbesondere eine Kühlmittelkanalhöhe und die Rippenbreite 31 die Kühlmittelkanalbreite, welche beide nicht explizit ein- gezeichnet sind, da sie sich im Wesentlichen aus der Rippenhöhe 32 bzw. der Rippenbreite 31 ergeben.

Die Kühlmittelkanäle 19, 25 sind an ihren Stirnseiten 33, 33A verschlossen (hier nicht dargestellt, aber exemplarisch beziffert), so dass das Kühlmittel nur über die Verbindungsöffnungen 23 von einem Kühlmittelkanal 19 in die weiteren Kühlmittelkanäle 25 strömen kann, bis das Kühlmittel die Kühlmittelebene 13 über eine Auslassöffnung 34 der Kühlmittelleiteinrichtung 28 wieder verlässt. Somit wird mittels der Verbindungsöffnungen 23 eine Umlenkung des Kühlmittels entlang der Kühlmittelwegstrecke 22 innerhalb der Kühlmittelebene 13 erzielt.

In dem konkreten Ausführungsbeispiel nach der Figur 4 sind somit an einer ersten Trennwand 24A eines ersten Kühlmittelkanals 19A an der ersten Stirnseite 33 des ersten Kühlmittelkanals 19A eine erste Verbindungsöffnung 23A zu einem zweiten Kühlmittelkanal 19B und an einer zweiten Trennwand 24B des ersten Kühlmittelkanals 19A an einer zweiten Stirnseite 33A des ersten Kühlmittelkanals 19A eine zweite Verbindungsöffnung 23B zu einem weiteren Kühlmittelkanal 19C angeordnet.

Eine Abgasleiteinrichtung ist vorliegend nicht dargestellt, da sie konstruktiv einfach im Wesentlichen aus geradlinig ausgebildeten Abgaskanälen besteht, deren Stirnseiten nicht verschlossen sind, so dass hierüber die Abgase in die Abgaskanäle einströmen und auch wieder aus den Abgaskanälen ausströmen können. Die Abgasleiteinrichtung kann auch aus einem Wellblech hergestellt sein, jedoch ohne die vorstehend beschriebenen Verbin- dungsöffnungen 23. Dadurch, dass an der Abgasleiteinrichtung mehrere Abgaskanäle parallel geschaltet sind, ist die Abgasleiteinrichtung in diesem Ausführungsbeispiel mehrflutig ausgelegt. Im Gegensatz hierzu sind die Kühlmittelkanäle 19, 25 an der Kühlmittelleiteinrichtung 28 in Reihe geschaltet, da das Kühlmittel alle Kühlmittelkanäle 19, 25 nacheinander durchströmt. Somit ist die Kühlmittelleiteinrichtung 28 in diesem Ausführungsbeispiel einflutig konstruiert.

Zwischen der Abgasleiteinrichtung und der Kühlmittelleiteinrichtung 28 ist ein Trennboden (hier nicht gezeigt) angeordnet, um so die jeweilige Abgasebe- nen 12 und Kühlmittelebene 13, insbesondere die Abgaskanäle und die Kühlmittelkanäle 19, 25 räumlich voneinander zu trennen. Insbesondere auf Grund der hier gewählten Kombination aus dem vorliegenden Wellblech 29, dem Trennboden und den verschlossenen Stirnseiten 33, 33A erfährt der Abgasverdampfer 5 im Zusammenhang mit der Sandwichbauweise 11 in besonders vorteilhafter Weise eine sehr hohe Festigkeit.

Es versteht sich, dass der beschriebene Abgasverdampfer 5 nur ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt, jedoch nicht einschränkend hinsichtlich der Erfindung zu verstehen ist.

Fig. 5 zeigt eine als Wellblech 41 ausgebildete Zusatzscheibe, welche in eine nicht weiter dargestellte Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist. Das Wellblech 41 weist einstückig miteinander ausgebildete Trennwände 42, 42a auf, welche Strömungskanäle 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 voneinander trennen. Hierbei bilden die Strömungskanäle 43 und 45 einen ersten Strömungspfadabschnitt, die Strömungskanäle 44 und 46 einen zweiten Strömungspfadabschnitt, die Strömungskanäle 47 und 49 einen dritten Strömungspfadabschnitt und die Strömungskanäle 48 und 50 einen vierten Strömungspfadabschnitt.

Der erste und der dritte Strömungspfadabschnitt werden dabei beispielsweise auf den Betrachter zu durchströmt, wohingegen der zweite und der vierte Strömungspfadabschnitt vom Betrachter weg durchströmt werden. Der erste Strömungspfadabschnitt 43, 45 ist dabei mit dem zweiten Strömungspfadab- schnitt 44, 46 über einen durch eine Aussparung 51 gebildeten Umlenkabschnitt verbunden. Der zweite Strömungspfadabschnitt 44, 46 ist mit dem dritten Strömungspfadabschnitt 47, 49 über einen nicht gezeigten Umlenkabschnitt verbunden. Der dritte Strömungspfadabschnitt 47, 49 ist wiederum mit dem vierten Strömungspfadabschnitt 48, 50 über einen durch eine Aus- sparung 52 gebildeten Umlenkabschnitt verbunden. Durch die Aussparungen 51 , 52 ergeben sich die Umlenkabschnitte bildende Lücken zwischen den Trennwänden 42 und einer nicht gezeigten, die Strömungskanäle auf ihrer dem Betrachter zugewandten Stirnseite verschließenden Seitenwand des ersten Strömungsraums, in welchem das Wellblech 51 angeordnet ist.

Die Trennwände 42a sind dagegen mit der Seitenwand verbunden, so dass die Strömungspfadabschnitte in der erwähnten Reihenfolge und abwechselnd in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmt werden. Somit ergibt sich für das erste Medium ein einziger serpentinenartig mäandrie- render Strömungspfad durch den ersten Strömungsraum, welcher durch eine Hintereinanderschaltung der Strömungspfadabschnitte gebildet wird.

Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung auch durch eine Abgasanlage mit einem Abgasverdampfer gelöst, welche einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschaltet ist, wobei der Abgasverdampfer eine Sandwichbauweise aufweist, bei welcher Abgasebenen und Kühlmittelebenen abwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, wobei der Abgasverdampfer bevorzugt abgasseitig eine Abgasleiteinrichtung und verdamp- ferseitig eine Kühlmittelleiteinrichtung aufweist, welche räumlich voneinander getrennt sind, wobei bevorzugt in jeder der Kühlmittelebenen mehrere parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle angeordnet sind, die insbesondere räumlich untereinander verbunden sind, wobei die Kühlmittelkanäle bevorzugt an ihren Stirnseiten verschlossen sind.

Bevorzugt sind an einer ersten Trennwand eines ersten Kühlmittelkanals an einer ersten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine erste Verbindungsöffnung zu einem zweiten Kühlmittelkanal und an einer zweiten Trennwand des ersten Kühlmittelkanals an einer zweiten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine zweite Verbindungsöffnung zu einem weiteren Kühlmittelkanal angeordnet, wobei die Kühlmittelkanäle bevorzugt gemeinsam eine einzige mäandrierende Kühlmittelwegstrecke durch den Abgasverdampfer bilden und/oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet innerhalb des Abgasverdampfers, insbesondere im Wesentlichen vertikal zu einer Fahrbahnoberfläche, angeordnet sind, wobei der Abgasverdampfer bevorzugt eine Kühlmit- telwegstrecke und eine Abgaswegstrecke aufweist, wobei die Kühlmittelweg-

strecke anders orientiert in dem Abgasverdampfer angeordnet ist als die Abgaswegstrecke.

Bevorzugt sind Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene mittels eines in der Kühlmittelebene mehrfach gefalteten Wellblechs gebildet und/oder die Abgasleiteinrichtung mehrflutig und die Kühlmittelleiteinrichtung einflutig ausgebildet ist.

Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gelöst, bei welchem Abgase der Brennkraftmaschine mittels einer Abgasanlage in die Umgebung geleitet werden und den Abgasen zuvor mittels verdampfbarer Kühlmittel Wärmeenergie entzogen wird, wobei die Abgase innerhalb eines Abgasverdampfers in einer ersten Hauptströmungsrichtung und die Kühlmit- tel in einer der ersten Hauptströmungsrichtung entgegengesetzten Hauptströmungsrichtung durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden, wobei die Kühlmittel streckenweise quer zu den Hauptströmungsrichtungen durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden.

Bezugsziffernliste

1 Kraftfahrzeug

2 Brennkraftmaschine 3 Abgasanlage

4 Abgasstrang

5 Abgasverdampfer

6 Katalysator

7 Mittelschalldämpfer 8 Endschalldämpfer

9 Räder

10 Fahrbahnuntergrund

11 Sandwichbauweise

12 Abgasebene 13 Kühlmittelebene

14 Dicke

15 vertikale Ausrichtung

16 Unterseite

17 Wasserdampf 18 Einlassöffnung

19 Kühlmittelkanal

19A erster Kühlmittelkanal

19B zweiter Kühlmittelkanal

19C weiterer Kühlmittelkanal 20 Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels

21 Hauptströmungsrichtung der Abgase

22 Kühlmittelwegstrecke

23 Verbindungsöffnungen 23A erste Verbindungsöffnung 23B zweite Verbindungsöffnung

24 Trennwände

24A erste Trennwand 24B zweite Trennwand

25 Kühlmittelkanäle

26 erste Nebenströmungsrichtung 27 zweite Nebenströmungsrichtung

28 Kühlmittelleiteinrichtung

29 Wellblech

30 Glattrippengeometrie

31 Rippenbreite 32 Rippenhöhe

33 erste Stirnseite 33A zweite Stirnseite

34 Auslassöffnung