Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Konden¬ sator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In Brennstoffzellensystemen fällt feuchte Prozessabluft an, die abgekühlt wird, wobei Kondensat, unter anderem Wasser und Methanol anfällt. Die abgekühlte Prozessluft sowie das Kondensat werden in den Prozess zurück¬ geführt. Die Kühlung erfolgt vorzugsweise durch Umgebungsluft. Die Pro- zessluft ist aufgrund der in ihr enthaltenen Bestandteile korrosiv und steht unter einem relativ niedrigen Druck.

Herkömmliche Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge sind im Allgemeinen für höhere Drücke und einen größeren Druckabfall auf der Kühl- luftseite, d. h. auch mit höheren Lüfterleistungen ausgelegt. Entsprechend ist auch die Fügetechnik aufwendig, d. h. es werden Aluminium- oder Edel¬ stahlsysteme eingesetzt, deren Bauteile wie Rohre, Rippen, Rohrböden, De¬ ckel und Sammelkästen miteinander verlötet oder verschweißt werden. Für die o. g. Medien und Prozessbedingungen sind die bekannten Systeme zu aufwendig oder nicht geeignet: übliche Edelstahlkühler sind meistens für hö¬ here Drücke ausgelegt, Kunststoffkühler sind wegen ihrer schlechten Wär¬ meleitfähigkeit nicht genügend leistungsstark, und Aluminiumkühler sind - auch mit korrosionshemmenden Beschichtungen - nicht hinreichend korro¬ sionsbeständig. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager, insbesondere Kondensator der eingangs genannten Art zu schaffen, der ei¬ nerseits korrosionsbeständig gegenüber einem ersten abzukühlenden Medi¬ um und andererseits für niedrige Drücke und hohe Kühlleistung bei geringen Herstellkosten ausgelegt ist. Insbesondere soll der Wärmeübertrager gute Kondensatablaufeigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Werkstoffe und Fügetechnik für den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager sind im Hinblick auf ihre Funktion gewählt: die Sammelkästen einschließlich Rohrboden sind aus Kunststoff und die Rohre aus Edelstahl hergestellt - beide Werkstoffe sind korrosionsbeständig. Geringe Wanddicken sowie die Ausbildung der Wärmeübertragungsflächen als Primärflächen führen trotz einer unter Umständen geringen Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe zu einer günstigen Leistungsdichte. Gleichzeitig ist eine hinreichende Druckfestigkeit der Flachrohre gegeben, die einen geringen kühlluftseitigen Druckabfall als Vorteil aufweisen. Die Fügetechnik der Bauteile des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist an die geringen Anforderungen (hinsichtlich Druckfes¬ tigkeit und Dichtheit) angepasst. Die Rohrenden der Flachrohre werden in Öffnungen des Kunststoffrohrbodens dicht und fest aufgenommen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Vorteilhafterweise kann die Druckfestigkeit der Flachrohre, die an sich instabil sind, durch Sicken oder Noppen oder Aufweitung der Rohrenden verstärkt werden. Dabei sind Sicken als Innen- oder Außensi- cken sowie durchgehende oder nicht durchgehende Längssicken möglich. Vorteilhaft ist ferner, dass zwischen den Flachrohren Spalte für die Kühlluft¬ führung belassen sind, in welchen keine herkömmlichen Rippen angeordnet sind - damit ergibt sich ein geringer Druckabfall auf der Luftseite und eine geringe Ventilatorleistung. Dennoch wird eine gute Kühlwirkung aufgrund der langen Spalte zwischen den Flachrohren erzielt. Es ist ferner von Vorteil, wenn die Sammelkästen aus zwei Teilen, nämlich einem Deckel und einem Rohrboden gefügt und dicht miteinander verbunden sind. Dabei gibt es zwei Dichtzonen, nämlich einerseits zwischen dem Deckel und dem Rohrboden und andererseits zwischen den Rohren und dem Rohrboden. Vorteilhafter- weise kann die Abdichtung beider Dichtzonen durch ein Dichtmittel, nämlich eine verklebende Dichtmasse, vorzugsweise ein Zweikomponenten-Silikon oder eine Vergussmasse, wie sie üblicherweise für Elektronikbaugruppen verwendet wird, erfolgen. Dazu werden die Rohrenden in entsprechende Öffnungen des Rohrbodens eingesteckt, und zwar mit einem gewissen Rohrüberstand in Richtung Deckel. Daraufhin wird der Boden mit der flüssi¬ gen Dichtmasse ausgegossen und der Deckel aufgesetzt. Deckel und Rohr¬ boden werden durch die aushärtende Dichtmasse in einem umlaufenden Fügebereich verklebt, sind somit fest und dicht miteinander verbunden. Die Rohrenden sind umfangseitig von der aushärtenden, jedoch elastisch blei¬ benden Dichtmasse umgeben, sodass eine hinreichende Abdichtung der Rohre gegenüber dem Rohrboden gewährleistet und eine Leckage der ag¬ gressiven Prozessluft in die Umgebung verhindert ist. Deckel und Rohrboden sind vorteilhafterweise aus einem Polyamid (PA) oder Polyoxymethylen (POM) als Spritzteile, d. h. preisgünstig herstellbar. Alternativ kann es auch von Vorteil sein, die „flüssige" Dichtung, d. h. den Zweikomponenten- Silikonkleber durch eine feste, elastomere Dichtung, zumindest im umlau¬ fenden Fügebereich zwischen Boden und Deckel zu ersetzen. Bei dieser Alternative wird eine umlaufende elastomere Dichtung in den Randbereich des Bodens eingelegt; der Deckel liegt mit einem umlaufenden Flansch auf der Dichtung auf und wird durch außen angreifende Klammern oder Clips mechanisch mit dem Rohrboden verbunden, wodurch sich unter Umständen eine Fertigungs- und Montagehilfe ergibt. Auch eine solche De¬ ckel/Bodenverbindung würde den gegebenen Prozessbedingungen genü- gen. Ein Vorteil einer flüssigen Dichtung ist unter Umständen, dass hiermit auch „nass-in-nass" eine Klebeverbindung darstellbar ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im zulaufs- seitigen Sammelbehälter eine so genannte Diffusorplatte, die vorzugsweise als Mehrlochblende in Kunststoff ausgebildet ist, eingesetzt, z. B. durch eine einfache Clipsverbindung positioniert und fixiert. Durch die Vielzahl von Lochblenden ist unter Umständen eine über die Rohre gleichmäßigere Strö¬ mungsgeschwindigkeit erzielbar. Das Kondensat kann in den senkrecht an¬ geordneten, auf der Innenseite glatt ausgebildeten, teilweise mit Längssi- - A -

cken ausgestatteten Flachrohren sehr gut ablaufen, sodass sich eine weitere Verbesserung der Kondensationsbedingungen ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine luftgekühlten Kondensator im Längsschnitt, Fig. 1a den Kondensator gemäß Fig. 1 in einer halben Seitenansicht und im Halbschnitt, Fig. 1b den Kondensator gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht mit abge¬ nommenen Deckel, Fig. 2 eine Einzelheit X aus Fig. 1 , Fig. 3 ein Flachrohr des Kondensators und Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Flachrohrausbildung mit Innensicken.

Fig. 1 zeigt einen Kondensator 1 , wie er z. B. für die Kondensation von feuchter Prozessluft eines Brennstoffzellenprozesses, beispielsweise in einer DMFC („Direct Methanol Fuel Cell"), insbesondere für Kraftfahrzeuge Ver- wendung finden kann. Die feuchte Prozessabluft weist einen relativ niedrigen Druck auf, enthält u. a. Wasser und Methanol in dampfförmiger Phase und ist insofern korrosiv. Der Kondensator weist einen oberen, zulaufseitigen Sammelkasten 2 sowie einen unteren ablaufseitigen Sammelkasten 3 auf, jeweils mit einem Eintrittsstutzen 4 bzw. einem Austrittsstutzen 5. Der obere Sammelkasten 2 ist aus einem Deckel 6 und einem Rohrboden 7 zusam¬ mengesetzt - der untere Sammelkasten 3 in analoger Weise aus einem De¬ ckel 8 und einem Rohrboden 9. Zwischen den beiden Sammelkästen 2, 3 sind parallel zueinander verlaufende Flachrohre 10 angeordnet, die mit ihren Rohrenden 11 , 12 in den Rohrböden 7, 9 dicht aufgenommen sind. Zwi- sehen den einzelnen Flachrohren 10 sind Spalte 13 belassen, in welchen keine herkömmlichen Rippen angeordnet sind - insofern ist der Kondensator 1 ein Primärflächenwärmeübertrager. Die Spalte 13 bilden glatte Kühlluft¬ kanäle. Im oberen Sammelkasten 2 ist eine Diffusorplatte 14 angeordnet, und zwar oberhalb der Rohrenden 11 und parallel zum Rohrboden 7. Die Diffusorplatte 14 weist eine Vielzahl von Lochblenden 15, d. h. kalibrierten Öffnungen auf. Die Diffusorplatte 15 ist fest im Deckel 6 angeordnet, z. B. durch eine nicht dargestellte Clipsverbindung fixiert.

Fig. 1a zeigt den Kondensator 1 in einem Halbschnitt und in einer halben Seitenansicht, wobei insbesondere die Diffusorplatte 14 mit den Lochblen¬ den 15 im Deckel 6 erkennbar ist. Die Diffusorplatte 14 erstreckt sich somit über den gesamten Strömungsquerschnitt der durch den Eintrittsstutzen 4 eintretenden Prozessgase, sodass diese nur durch die Lochblenden 15 in die Flachrohre 10 gelangen können. Zwischen der Lochplatte 14 und der Oberkante der Flachrohrenden 11 befindet sich ein hinreichender Zwischen¬ raum 16, der eine Verzögerung der durch die Lochblenden 15 beschleunig¬ ten Strömung der Prozessgase ermöglicht, verbunden mit einem Druckan¬ stieg. Die Strömungsrichtung der Kühlluft durch den Kondensator 1 ist durch einen Pfeil L gekennzeichnet.

Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf den Rohrboden 7 mit den Flachrohrenden 11 , die sich über die gesamte Tiefe des Rohrbodens 7 erstrecken. Es erge¬ ben sich somit relativ lange glatte Flächen in Strömungsrichtung der Kühlluft.

Fig. 2 zeigt eine Einzelheit X aus Fig. 1 , d. h. einen Randbereich des Rohr¬ bodens 7 mit vier Flachrohren 10 und deren Flachrohrenden 11 , die gegen¬ über den Rohren 10 aufgeweitet sind. Der Rohrboden 7 (geschwärzt) ist als Kunststoffspritzteil, z. B., aus einem Polyamid (PA) hergestellt. Er weist Rohröffnungen 17 auf, in welche die aufgeweiteten Rohrenden 11 derart eingesetzt sind, dass sie gegenüber dem Rohrboden 7 nach innen überste¬ hen, d. h. einen Rohrüberstand Ü aufweisen. Der Randbereich des Bodens 7 weist eine umlaufende Rinne 18 auf, deren Außenseite 18a auf die Höhe des Rohrüberstandes Ü hochgezogen ist. Wie bereits erwähnt, ist der Sam¬ melkasten 2 (und analog auch der Sammelkasten 3) aus dem Deckel 6 und dem Boden 7 zusammengesetzt. Zum Fügen beider Teile wird der Rohrbo¬ den 7, nachdem die Rohre 10 mit ihren Rohrenden 11 eingesetzt worden sind, mit einer flüssigen oder pastösen Dichtmasse 19 bedeckt („geflutet"). Eine solche flüssige Dichtmasse kann ein Zweikomponentenkleber (Silikon) sein, der zu Beginn seiner Verarbeitung in flüssiger Form vorliegt und später zu einer elastischen Masse aushärtet. Diese Dichtmasse 19 füllt dann die Zwischenräume zwischen den Flachrohrenden 11 und auch die umlaufende Rinne 18 aus. In diesem flüssigen Zustand wird dann der Deckel 6, der ei¬ nen an die Rinne 18 angepassten Flansch 20 mit einer Rippe 20a aufweist in die Dichtmasse 19 und auf den Rohrboden 7 aufgesetzt. Dabei taucht die umlaufende Rippe 20a in die flüssige Dichtmasse 19 ein und bildet mit die¬ ser eine vergrößerte Dicht- bzw. Abbindefläche, sodass sich eine mecha¬ nisch feste und dichte Verbindung zwischen Rohrboden 7 und Deckel 6 er¬ gibt. Gleichzeitig sind die Rohre 10 bzw. ihre Rohrenden 11 durch die aus¬ härtende Dichtmasse 19 hinreichend gegenüber dem Rohrboden 7 abge- dichtet und infolge der Klebwirkung der Dichtmasse 19 mechanisch gehal¬ ten. Im Prinzip braucht somit keine mechanische Aufweitung der Rohrenden 11 gegenüber den Rohröffnungen 17 vorgenommen zu werden, wenngleich dies zur Steigerung der Dicht- und Haltewirkung vorteilhaft sein kann.

Fig. 3 zeigt ein einzelnes Flachrohr 10, dessen Rohrenden 11, 12 in der Längs- und Querrichtung aufgeweitet sind, was insbesondere auch aus der Schnittdarstellung hervorgeht. Die Aufweitung der Flachrohre 10 erfolgt zu dem Zweck, um den an sich gegen Innendruck relativ instabilen Flachrohren, insbesondere bei extremer Tiefe wie hier, eine erhöhte Stabilität zu verlei- hen, d. h. im Bereich der Rohr/Boden-Verbindungen. Der Querschnitt des Flachrohres 10 setzt sich aus zwei glatten, geraden Längsseiten 10a, 10b und im Bereich der Flachrohrenden 11 aus zwei glatten Längsseiten 11a, 11b zusammen sowie aus zwei halbkreisförmigen Bögen 11c, 11d. Aufgrund dieser einfachen Ovalform, zwei Geraden und zwei Halbkreise, lassen sich auch die entsprechenden Rohröffnungen im Rohrboden einfach herstellen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Flachrohres 21 , welches in Längsrichtung und parallel zueinander verlaufende, nach innen gerichtete Längssicken 22 aufweist. Das Flachrohr 21 wird durch diese Innensicken 22 hinsichtlich seiner Stabilität erheblich verbessert und erhält eine höhere Steifigkeit.

Alternativ sind abgewandelte Formen der Sicken 22 in Zahl und Form, d. h. z. B. nicht durchgehend möglich. Die Sicken 22 können auch nach außen gerichtet sein oder durch runde oder längliche Noppen ersetzt werden. Damit kann auch eine Stützwirkung nach außen, d. h. von Flachrohr zu Flachrohr erzielt werden. Ansonsten sind die Innenflächen der Flachrohre im Wesentli¬ chen glatt, sodass das Kondensat gut ablaufen kann.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Flachrohres 23, das aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist, die stirnseitig dicht und gegebenenfalls fest miteinander verbunden sind. Die Verbindungsnähte 24, 25 sind vor¬ zugsweise durch Schweiß-, Löt-, Klebverfahren und/oder durch Falzen her¬ stellbar. Die ansonsten unter Umständen schwierig abzudichtende Kontur der zu verbindenden Flächen oder Kanten ist durch eine flüssig-pastöse Ab¬ dichtmasse ausgleichbar oder zumindest tolerierbar. Bezugszahlenliste

1 Kondensator 2 Sammelkasten, zulaufseitig 3 Sammelkasten, ablaufseitig 4 Zulaufstutzen 5 Ablaufstutzen 6 Deckel, oben 7 Rohrboden, oben 8 Deckel, unten 9 Rohrboden, unten 10 Flachrohr 11 Rohrende 12 Rohrende 13 Spalt 14 Diffusorplatte 15 Lochblende 16 Zwischenraum 17 Rohröffnungen 18 Bodenrinne 18a äußere Wand 19 Dichtmasse 20 Flansch 20a Rippe 21 Sickenrohr 22 Innensicke 23 Flachrohr