Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere zur Abwärmenutzung einer Verbrennungskraftmaschine durch die Verdampfung eines Arbeitsmittels für den Betrieb eines Dampfmotors, sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen Wärmetauscher.

Abwärmenutzungssysteme verwenden die Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine zum Verdampfen eines Arbeitsmittels, das unter Freisetzung mechanischer Leistung in einem Expander entspannt. Nachfolgend zum Expander wird die Dampfphase des Arbeitsmittels kondensiert und wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Mögliche Wärmequellen einer Verbrennungskraftmaschine zum Aufheizen des Verdampfers sind der Abgasoder der Kühlmittelstrom. Weitere Wärmequellen ergeben sich durch die Abgasrückführung und Ladeluftkühlung von Fahrzeugmotoren sowie die

Zwischenkühlung bei mehrstufiger Aufladung. Alternativ oder zusätzlich kann eine separate Brennereinheit vorgesehen werden.

Abwärmenutzungssysteme können vorteilhaft durch die wenigstens teilweise Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine den

Gesamtwirkungsgrad eines Antriebs verbessern. Diesem Vorteil steht gegenüber, dass die Komponenten des Dampfmotors das Gesamtgewicht des Fahrzeugs erhöhen und darüber hinaus zusätzlichen Bauraum beanspruchen. Wärmetauscher als eine Komponente eines Abwärmenutzungssystems müssen daher effizient, kleinbauend und an die jeweilige Anwendung anpassbar sein.

Wärmetauscher mit einem ein Rohrbündel umfassendes Heizregister sind bekannt. Für eine erste Gestaltung werden die Außenwandungen der Rohrbündel vom Wärmeträgermedium umströmt. Für eine Weitergestaltung sind sowohl für das Arbeitsmittel als auch für das Wärmeträgermedium hydraulisch getrennte Strömungskanalsysteme vorgesehen. Hierzu wird exemplarisch auf die GB 1084292 A verwiesen. Aus dieser Druckschrift geht ein Plattenwärmetauscher hervor, der aus einer alternierend angelegten Stapelfolge von zwei Plattentypen aufgebaut ist. Ein erster Plattentyp führt das Wärmeträgermedium, der zweite Plattentyp das zu verdampfende Arbeitsmittel. Die Strömungskanäle in den beiden Plattentypen sind als einseitig offene Kanäle angelegt, die jeweils von der geschlossenen Seite der benachbarten Platte abgedeckt werden. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist, dass die Strukturierung der einzelnen Platten mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden ist. Dies gilt insbesondere für die Herstellung eines vielfach verzweigten Kanalsystems in einer Platte, um eine möglichst turbulente Führung des jeweiligen Mediums zu bewirken. Des Weiteren muss das für das zu verdampfende Arbeitsmittel verwendete Muster der

Strömungskanäle an die Dimensionierung des Abwärmenutzungssystems und den für die jeweilige Anwendung zur Verfügung stehenden thermischen Leistungseintrag angepasst werden. Dies setzt meist eine individuelle Musteranpassung voraus, was wiederum aufwendig ist. Femer sind für die bekannten Plattenwärmetauscher aufgrund der Ausdehnung der

Wandungsflächen hohe, aus dem Dampfdruck resultierende Kräfte aufzufangen. Folge dieser hohen mechanischen Belastungen sind großbauende, entsprechend schwere Verdampfer. Des Weiteren sind Flachrohrverdampfer in Serpentinenbauweise bekannt. Hierzu wird exemplarisch auf die DE 102 60 107 A1 verwiesen.

Ferner ist aus der DE 199 48 222 A1 ein Wärmetauscher in Form eines Plattenstapels bekannt, für den die Strömungskanäle zur Führung des Wärmeträgermediums und jene zur Aufnahme des Arbeitsmittels mit unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sind. Dabei weisen die

Arbeitsmittelkanäle vorteilhaft kleine Querschnitte auf, um dem sich an den Wandungen der Arbeitsmittelkanäle ausbildenden Dampffilm entgegenzuwirken, der den Wärmeübertrag in die Flüssigphase unerwünscht vermindert (Leidenforst- Phänomen). Hierzu wird vorgeschlagen, jeweils zwei Plattenflächen mit fischgrätmusterartigen Kanalstrukturen in flächige Anlage zu bringen. Für die Strömungskanäle zur Führung des Wärmeträgermediums werden gekreuzte Kanalstrukturen für die aneinander anliegenden Platten verwendet, sodass ein möglichst großer freier Querschnitt entsteht. Für die schmalen Arbeitsmittelkanäle wird eine Parallelanordnung ineinandergreifender Strukturen für die verdampferseitige Volumenreduktion bevorzugt. Nachteilig ist der hieraus resultierende konstruktive Aufwand. Dabei sind insbesondere für die Parallelanordnung der Kanäle Abstandshalter notwendig. Des Weiteren sind die Skalierbarkeit und die individuelle Querschnittsanpassung sowie die gewünschte Kanalaufweitung zur Aufnahme der Dampfphase nur in unzureichendem Maße möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, insbesondere zur Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, der einen effizienten Wärmeübertrag von einem Heizmedium auf ein im Wärmetauscher zu verdampfendes Arbeitsmittel ermöglicht. Dabei sollte der Wärmetauscher kompaktbauend ausgebildet sein und zusätzlich eine hohe Standfestigkeit gegenüber den bei Fahrzeuganwendungen typischerweise auftretenden Vibrationen und Stößen aufweisen. Des Weiteren soll sich der Verdampfer durch eine kleine Baugröße und durch eine verbesserte Skalierbarkeit auszeichnen. Die Skalierbarkeit soll für den Durchsatz an Heizmedium und Arbeitsmittel sowie den Volumenstrom in der Dampfphase des Arbeitsmittels gegeben sein. Ferner wird eine einfache Anpassbarkeit des Verdampfers an einen bestimmten Fahrzeugtyp sowie an unterschiedliche Druckanforderungen gewünscht. Außerdem sollte das Arbeitsmittel beim Betrieb des Wärmetauschers in flüssiger Form in diesen eintreten und als überhitzte Dampfphase wieder austreten. Dabei sollten auch Arbeitsmedien mit korrosiver Wirkung bei Betriebsdrücken von 60 - 100 bar und darüber sicher im Wärmetauscher geführt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst zwei unterschiedlichen Funktionsschichten, die eine alternierende Stapelfolge bilden. Dabei handelt es sich zum einen um Führungsschichten für das Heizmedium und zum anderen um Führungsschichten für das Arbeitsmittel. Die Führungsschicht für das Arbeitsmittel umfasst eine strukturierte Kanalplatte, in der in Mäanderform angelegte Durchgangsöffnungen vorliegen. Unter Durchgangsöffnungen werden Durchbrüche durch die Kanalplatte verstanden, die durch die gesamte Dickenerstreckung der Kanalplatte von der Oberseite bis zur Unterseite reichen. Derartige Durchgangsöffnungen lassen sich in den bevorzugt zur Ausbildung der Kanalplatte verwendeten Blechen mit einer Stärke von bevorzugt 0,2 - 2 mm, besonders bevorzugt 0,3 — 1 ,5 mm, mittels eines Stanzverfahrens oder einem anderen geeigneten Strukturierungsverfahren, beispielsweise mittels eines Laserschneid- oder Ätzverfahrens herstellen. Auch Fräsverfahren oder die Verwendung extrudierter Komponenten sind denkbar.

Zur Ausbildung eines Arbeitsmittelkanals wird jede Kanalplatte auf der Oberseite und der Unterseite mit einer Deckplatte versehen, die mit der Kanalplatte im eingebauten Zustand stoffschlüssig verbunden sind. Hierbei wird zur Herstellung des Stoffschlusses insbesondere eine Lötverbindung, etwa aus einem Ni-Lot oder einem Cu-Lot verwendet. Die Deckplatten sind so strukturiert, dass jeder

Arbeitsmittel kanal mit einem Zulauf und einem Ablauf versehen ist. Dabei können alle Arbeitsmittelkanäle hydraulisch verbundene Zu- und Abläufe aufweisen.

Durch die Strukturierung der Kanalplatte in Verbindung mit den Deckplatten entsteht ein flacher Arbeitmittelkanal, der das zunächst flüssig eintretende Arbeitsmittel relativ zur Bewegungsrichtung des Heizmediums im Kreuzgegenstrom führt. Durch das Mäandrieren resultiert ferner eine für die Verdampfung und Nachüberhitzung hinreichende Länge des Arbeitsmittelkanals. Erfindungsgemäß ermöglichen die Durchbrüche in der Kanalplatte durch eine Anpassung ihrer Breite senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsmittels eine Einstellmöglichkeit des freien Querschnitts des Arbeitsmittelkanals. Hierzu weist der Arbeitsmittelkanal einen vom Zulauf ausgehenden ersten Abschnitt mit einem ersten freien Querschnitt auf sowie, in Strömungsrichtung nachfolgend, einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten freien Querschnitt, wobei der zweite freie Querschnitt weiter gewählt ist als der erste freie Querschnitt. Hierdurch wird erreicht, dass im Bereich des Arbeitsmittelkanals, in dem der

Phasenwechsel des Arbeitsmittels eintritt, eine Querschnittsaufweitung angelegt ist. Dadurch wird, ausgehend von einer Druckvorgabe für das Arbeitsmittel, eine Anpassung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittelkanals im ersten Abschnitt und im zweiten Abschnitt des Arbeitsmittelkanals möglich, sodass der zweite Abschnitt, der das verdampfte Arbeitsmittel führt, effektiv zur Nacherhitzung der Dampfphase verwendet werden kann.

Darüber hinaus wird bevorzugt, die Querschnittserweiterung beim Übergang vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt des Arbeitsmittelkanals zu einer im Wesentlichen sprunghaft erfolgenden Druckveränderung zu nutzen, sodass in diesem Übergangsbereich das Arbeitsmittel nahezu vollständig verdampft und keine weiteren Vorkehrungen im Wärmetauscher zur Abzweigung eines nicht verdampften Kondensatanteils des Arbeitsmittels zu treffen sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im

Zusammenhang mit Figurendarstellungen beschrieben, in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:

Figur 1 zeigt eine Teilansicht der Stapelfolge eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Explosionsdarstellung.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Kanalplatte mit einer mäandrierenden Durchgangsöffnung.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Figur 4 zeigt den seitlichen Abschluss der Stapelfolge eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Explosionsansicht.

Figur 1 zeigt einen Teilabschnitt der Stapelfolge 1 eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die durch- eine alternierende Anordnung von Führungsschichten für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 und Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 gebildet wird. Die Fortsetzung der Stapelfolge 1 mit weiteren Führungsschichten ist im Einzelnen nicht dargestellt.

Jede der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 ist aus einander flächig kontaktierenden Einzelkomponenten aufgebaut. Dabei ist zentral in jeder Führungsschicht für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 jeweils eine Kanalplatte 4.1 , 4.2, 4.3 angeordnet. Eine solche Kanalplatte 4 wird in Figur 2 als separate Seitenansicht dargestellt.

Die Kanalplatte 4 umfasst eine Durchgangsöffnung 5, die durch ihre gesamte Dickenerstreckung hindurchreicht und welche von einem Zulauf 7 ausgeht und in einen Ablauf 8 mündet. Dabei verändert sich die Breite der Durchgangsöffnung 5 zwischen dem Zulauf 7 und dem Ablauf 8. Zunächst liegt nach dem Zulauf 7 ein erster Abschnitt 9 mit einem ersten freien Querschnitt 10 vor, der im weiteren Verlauf in einen zweiten Abschnitt 11 mit einem zweiten freien Querschnitt 12 übergeht. Dabei ist der zweite freie Querschnitt 12 gegenüber dem ersten freien Querschnitt 10 aufgeweitet.

Werden der Kanalplatte 4 ein Paar seitlich abschließender Deckplatten 6.1 - 6.6 zugeordnet, entsteht ein Arbeitsmittelkanal 14 mit zwei unterschiedlichen Abschnitten, die sich bezüglich des Querschnitts unterscheiden. Durch die Aufweitung des Querschnitts wird in jenem Bereich des Arbeitsmittelkartals 14, in dem die Verdampfung des Arbeitsmittels eintritt, ein vergrößertes Aufnahmevolumen für die Dampfphase geschaffen, sodass die

Strömungsgeschwindigkeit nach dem erfolgten Phasenwechsel nicht unerwünscht ansteigt und im zweiten Abschnitt 11 des Arbeitsmittelkanals eine effiziente Nachüberhitzung der Dampfphase bewirkt werden kann. Ferner ermöglicht die Querschnittserweiterung im Arbeitsmittelkanal 16, den Ort des Phasenwechsels besser lokalisieren zu können.

Bevorzugt bestehen die Kanalplatten 4.1 , 4.2 und 4.3 sowie die jeweils zugeordneten Deckplatten 6.1 - 6.6 aus einem dünnwandigen Blechmaterial, wobei die Blechstärke bevorzugt im Bereich von 0,2 - 2 mm und besonders bevorzugt im Intervall von 0,3 - 1 ,5 mm gewählt ist. Als Material wird entweder Edelstahl oder eine Aluminiumlegierung bevorzugt. Dabei können die mäanderförmig ausgebildeten Durchgangsöffnungen 5 in den jeweiligen

Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3 mittels eines geeigneten Strukturierungsverfahrens angelegt werden. Hierfür kommt insbesondere ein Stanzverfahren oder eine Strukturierung mittels eines Ätzverfahrens oder eines Fräsverfahrens in Frage. Ferner können vorteilhafterweise Laser zur Strukturierung eingesetzt werden.

Die in Figur 1 dargestellten Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3 und die jeweils zugehörigen Deckplatten 6.1 , 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6 sind im betriebsfertigen Zustand vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Dies gilt für eine vorteilhafte Ausgestaltung auch für die weiteren Komponenten der Stapelfolge 1 , die zur Bildung der Führungsschichten für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 dienen. Der Stoffschluss kann beispielsweise durch eine Hartlotverbindung mittels eines Ni- Lots oder eines Cu-Lots ausgeführt werden. Alternativ ist eine Schweißverbindung denkbar.

Dabei wird die stoffschlüssige Verbindung durch die flächige Ausbildung der

Kanalplatte 4 begünstigt, sodass hinreichend große Anlagebereiche am Rand der jeweiligen Kanalplatte 4 und im Bereich der Zwischenstege zwischen den einzelnen mäandrierenden Zweige der Durchgangsöffnung 5 vorliegen, die zunächst in Anlage zu den jeweils seitlich angrenzenden Deckplatten 6.1 - 6.6 gebracht werden und dann unter Anwendung von Druck und mittels einer thermischen Behandlung eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Für ein bevorzugtes Herstellungsverfahren werden zunächst alle Komponenten der Führungsschichten für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 sowie der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 in die Stapelfolge 1 aufgenommen und in einem weiteren Schritt zentriert. Nachfolgend wird die Stapelfolge 1 durch Kraftbeaufschlagung in Stapelrichtung gesichert. Durch eine vorzugsweise thermische Behandlung bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1250 ⁰ C entsteht dann der gewünschte Stoffschluss der Komponenten der Stapelfolge 1 des Wärmetauschers.

Die Führungsschichten für das Heizmedium 2.1, 2.2, 2.3 entstehen durch die Schaffung eines Zwischenraums zu den benachbarten Führungsschichten für das

Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3. In der Stapelfolge 1 sind für diesen Zweck

Abstandshalter 13.1, 13.2 vorgesehen, die so ausgebildet sind, dass die Zuläufe 7 aller Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3 hydraulisch miteinander verbunden sind.

Entsprechendes gilt für die Abläufe 8 der Kanalplatten 4.1 , 4.2, 4.3. Ferner stellen die Abstandshalter 13.1 , 13.2 den mediendichten Abschluss der jeweiligen

Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3 quer zu

Durchströmungsrichtung sicher.

Außerdem wird bevorzugt, für jede Führungsschicht für das Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3 ein Strömungsleitblech 14 vorgesehen, das im einfachsten Fall eine gewellte Struktur ist, die in Längsrichtung, das heißt der Durchströmungsrichtung für das Heizmedium, Strömungskanäle bildet. Die Strömungsleitbleche 14 dienen der Verbesserung des Wärmeübertrags zu den angrenzenden Deckplatten 6.1 - 6.6. Des Weiteren können die Strömungsleitbleche 14 mit einer zusätzlichen Funktionsbeschichtung versehen sein, die beispielsweise dem Korrosionsschutz dient oder eine katalytische Wirkung aufweist.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, durch die das Heizmedium eintritt oder austritt. Ersichtlich ist wiederum die alternierende Stapelfolge der Führungsschichten für das

Heizmedium 2.1 , 2.2, 2.3, ... , 2.8 und der Führungsschichten für das Arbeitsmittel 3.1 , 3.2, 3.3, ... , 3.9. Zusätzlich sind die Randplatten 15.1 und 15.2 dargestellt, die die Seitenwandungen des Wärmetauschers bilden. Für eine bevorzugte Ausgestaltung sind diese mit einer thermischen Isolation versehen.

Der seitliche Abschluss der Stapelfolge 1 ergibt sich ferner aus der vergrößert dargestellten Explosionsdarstellung der Figur 4. Gezeigt ist die an die Randplatte 15 angrenzende Kanalplatte 4.4 mit der darin angelegten Durchgangsöffnung 5. Diese wird über den Zulauf 7 mit einem Arbeitsmittel als Flüssigphase beschickt, die stromaufwärts im Arbeitsmittelkanal 16 verdampft. Die zweite Seitenfläche der Kanalplatte 4.4 wird durch die Deckplatte 6.7 im Betriebszustand verschlossen. Dabei weist die Deckplatte 6.7 eine zum Zulauf 7 in der Kanalplatte 4.4 fluchtende Durchgangsöffnung 17.1 auf. Eine übereinstimmende Durchgangsöffnung 17.2 ist im Abstandhalter 13.2 angelegt. Dieser bildet zusammen mit dem Abstandshalter 13.1 und dem Strömungsleitblech 14 die unmittelbar angrenzende Führungsschicht für das Heizmedium 2.4.

Die voranstehend erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen die Verwendung ebener Komponenten in der Stapelfolge 1. Es sind jedoch vorteilhafte Ausgestaltungen denkbar, für die die Führungsschichten für das Heizmedium und die Führungsschicht für das Arbeitsmedium gekrümmt ausgeführt sind. Vorteilhaft sind insbesondere zylindrische Komponenten, die, koaxial angeordnet, eine rohrförmige Baukomponente eines Fahrzeugantriebs umschließen. Dies kann ein Partikelfilter eines Dieselmotors sein, der zugleich als Energiespeicher dient, da bei einer thermischen Filterreinigung angelagerter Rußpartikel eine hohe Wärmemenge frei wird. Ferner ist es denkbar den Wärmetauscher zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente, etwa der

Katalysatoreinheit eines Ottomotors, zu verwenden. Für beide Anwendungsfälle kann auf die Führungsschichten für das Heizmedium verzichtet werden, wenn ein direkter thermischer Kontakt zwischen der jeweiligen Fahrzeugkomponente und der angrenzenden Führungsschicht für das Arbeitsmittel hergestellt wird. Zylindrisch ausgebildete Stapelfolgen sind im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. Dabei kann insbesondere die Durchmischung des Heizmediums in der Führungsschicht für das Heizmedium und des Arbeitsmittels in der Führungsschicht für das Arbeitsmittel durch Elemente zur Erzeugung von Strömungswirbeln verbessert werden. Zu diesem Zweck kann die Oberflächenrauigkeit der Wandungen der medienführenden Kanäle erhöht werden. Ferner sind im Einzelnen nicht näher dargestellte Ausgestaltungen mit gerippten Wandungskonturen für die Durchgangsöffnung 5 in den Kanalplatten 4.1 - 4.4 zur Durchmischungsförderung vorteilhaft.

Bezugszeichenliste

1 Stapelfolge

2.1,2.2,2.3,

2.4, ...,2.8 Führungsschicht für das Heizmedium

3.1,3.2,3.3,

3.4, ...,3.9 Führungsschicht für das Arbeitsmittel

4.1,4.2,

4.3 ,4.4 Kanalplatte

5 Durchgangsöffnung

6.1 ,6.2, 6.3

6.4 C 3.7 Deckplatte

7 Zulauf

8 Ablauf

9 erster Abschnitt

10 erster freier Querschnitt

11 zweiter Abschnitt

12 zweiter freier Querschnitt

13. 1,13. .2 Abstandshalter

14 Strömungsleitblech

15, 15.1 ,15 .2 Rand platte

16 Arbeitsmittelkanal

17. 1,17 .2 Durchgangsöffnung