Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Kühlung eines Heißfluids, insbesondere eines Abgases oder eines Brennstoffzellenkühlfluids, mittels einem relativ zu dem Heißfluids eine niedrigere Temperatur aufweisenden und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids, umfassend ein Hochtemperaturgitter zur Führung des Heißfluids, ein Niedertemperaturgitter zur Führung des Kühlfluids.

Es ist ein ständiges Bestreben, Flugzeugantriebe mit geringeren Emissionen herzustellen. Die dabei herkömmlich verwendeten Technologien sind dabei nahezu ausgereizt. Lediglich geringe Schritte sind noch möglich, zuletzt gelang ein größerer Sprung durch den Einsatz von Getrieben, um den Einsatz langsamerer Fans bei gleichzeitigem Einsatz schnelllaufender Turbinen zu ermöglichen. Um Emissionen weiter zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird daher derzeit an Systemen mit Wasserrückgewinnung gearbeitet, die auf den Einsatz von Wärmetauschern und Wasserrückgewinnungsanlagen zur Wasserrückgewinnung aus dem Abgas setzen. Bisherige Systeme setzten dabei auf Lösungen, die den Wärmetauscher außerhalb des Triebwerks vorsahen. Die Frontalflächen, im Folgenden als Anströmflächen bezeichnet, dieser Wärmetauscher auf deren Kühlluftseite wären viel größer als beispielsweise die Querschnittsfläche des Triebwerks in das sie integriert werden sollen. Aus diesem Grund ist eine Integration solcher Wärmetauscher in ein Luftfahrzeug, nach dem Prinzip wie in Fig.1 gezeigt, nur schwer- bzw. nicht realisierbar. Die notwendige Flächenerweiterung im Anströmkanal, um die Geschwindigkeit zu verringern, würde sehr große Baulängen erfordern. Ferner würde eine erforderliche Anströmfläche der Wärmetauscher eine Vergrößerung des Verdrängungsquerschnittes des Luftfahrzeugs und damit eine große Erhöhung des Druck- und Formwiderstandes ergeben.

Auch im Bereich der Brennstoffzellen, einer aufstrebenden Technologie im Bereich der Luftfahrttriebwerke, ist der Bedarf an Kühlung groß. Die derzeit zur Verfügung stehenden Lösungen können weiter optimiert werden, so dass ein Wärmetauscher mit geringem Platzbedarf vorteilhaft wäre. Aber auch in anderen Bereichen können Wärmetauscher, die bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des kühlenden Fluids bei gleichzeitig geringerem Raumbedarf arbeiten, von Vorteil sein.

Unter einer hohen Strömungsgeschwindigkeit wird vorliegend eine Strömungsgeschwindigkeit verstanden, wie sie typischerweise als Anströmgeschwindigkeit im Luftfahrtbereich auftaucht. Es kann also üblicherweise von einer Geschwindigkeit >50m/s ausgegangen werden. Ist ein Wärmetauscher im Mantelstrom eines Triebwerks angeordnet, können noch deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, im Bereich von Mach 0,4 bis Mach 0,5.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Wärmetauscher und eine Wärmetauscheranordnung anzugeben, die eine Wärmeübertragung durch ein schnell anströmendes Fluid verbessern und/oder den benötigten Einbauraum verringern.

Diese Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch eine Wärmetauscheranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst.

Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher zur Kühlung eines Heißfluids mittels einem relativ zu dem Heißfluids eine niedrigere Temperatur aufweisenden und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Kühlfluids umfasst ein Hochtemperaturgitter zur Führung des Heißfluids sowie ein Niedertemperaturgitter zur Führung des Kühlfluids. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens einem, (bevorzugt in vielen), von dem Kühlfluid durchströmten ersten Niedertemperaturkanal des Niedertemperaturgitters ein Diffusorbereich zur Verzögerung des anströmenden Fluids angeordnet ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Diffusorbereich und ein von dem Heißfluid durchströmter erster Hochtemperaturkanal des Hochtemperaturgitters zumindest eine gemeinsame Wand zur Wärmeübertragung aufweisen. Durch die gemeinsame Wand ist bereits der Diffusorbereich an der Wärmeübertragung beteiligt, so dass vorteilhaft wertvoller Bauraum thermisch genutzt werden kann und so die Größe des Wärmetauschers reduziert werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Niedertemperaturkanal einen Umlenkbereich aufweisen der stromaufwärts des Diffusorbereichs angeordnet ist und in welchem das Kühlfluid umgelenkt, aber noch nicht verzögert wird. In anderen Worten kann das Kühlfluid zunächst mit im Wesentlichen gleichbleibender oder sich verringernder Querschnittsfläche umgelenkt werden, bevor es in den Diffusorbereich eintritt, in welchem sich die Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals vergrößert. Dies ermöglicht eine Richtungsänderung der Kaltströmung vom Anströmwinkel zum Hauptneigungswinkel des Niedertemperaturkanals schon vor dem Eintritt in den Diffusorbereich. Bevorzugt kann das Kühlfluid im Umlenkbereich beschleunigt werden, das heißt die Querschnittsfläche des Umlenkbereichs verringert sich in Strömungsrichtung. In einer bevorzugten Weiterbildung kann der Diffusorbereich im Wesentlichen plane Seitenwände aufweisen, da die Umlenkung bereits im Umlenkbereich geschieht.

Der Wärmetauscher kann ferner als Kondensator zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem als das Heißfluid den Kondensator durchströmenden Gases ausgebildet sein. Das Heißfluid kann insbesondere ein Abgas aus einer Strömungsmaschine wie einer Gasturbine oder einem Flugtriebwerk sein. Das Heißfluid kann auch ein Kühlmittel einer Brennstoffzelle sein, um vorzugsweise das Thermomanagement einer Brennstoffzelle zu unterstützen und eine Brennstoffzelle effizienter kühlen zu können. Als Kühlfluid insbesondere ist dabei vorzugsweise komprimierte Luft vorgesehen. Die Verzögerung des anströmenden Kühlfluids stellt eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit dar, so dass vorteilhaft ein mit hoher Geschwindigkeit anströmendes Kühlfluid auf eine zur möglichst hohen Aufnahme von Wärme reduzierte Geschwindigkeit verlangsamt werden kann und dadurch Druckverluste verringert werden. Das Hochtemperaturgitter wird dabei insbesondere von einer Vielzahl an Hochtemperaturkanälen, die zumindest den ersten Hochtemperaturkanal umfassen. Ferner wird das Niedertemperaturgitter vorzugsweise von einer Vielzahl von Niedertemperaturkanälen gebildet, die zumindest den ersten Niedertemperaturkanal umfassen. Vorzugsweise ist das Hochtemperaturgitter zu dem Niedertemperaturgitter zumindest Abschnittsweise in einer Kreuz- und/oder Gegenstromkonfiguration angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Niedertemperaturkanäle und die Hochtemperaturkanäle in einer Kreuzstromkonfiguration angeordnet.

Der Diffusorbereich besteht aus einem oder mehreren Bereichen, die eine durchströmte Querschnittsfläche des Niedertemperaturgitters in einem Einlaufquerschnitt oder einem minimalen Querschnitt, insbesondere einem minimalen Einlaufquerschnitt, des Diffusorbereichs des Niedertemperaturkanals, insbesondere der Vielzahl von Niedertemperaturkanälen, auf einen stromabwärts liegenden gegenüber dem Einlaufquerschnitt größeren Querschnitt, insbesondere Hauptquerschnitt, des Niedertemperaturkanals erweitern. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids in jedem dieser Bereiche reduziert.

Das Hochtemperaturgitter und das Niedertemperaturgitter stellen jeweils einen Strömungsraum für ein Fluid dar, wobei die beiden Gitter, das Hochtemperaturgitter und das Niedertemperaturgitter, vorzugsweise gemeinsam aus einem integralen Gitterkörper mit gemeinsamen Wänden der beiden Gitter bestehen können oder einen Gitterkörper, umfassend gemeinsame Wände der beiden Gitter, aufweisen können. In dem Gitterkörper sind die Hochtemperaturkanäle und die Niedertemperaturkanäle angeordnet. Die gemeinsamen Wände weisen dabei vorzugsweise quer zu einer jeweiligen Wanderstreckung der Wände zumindest einen geringsten Abstand zwischen den beiden Strömungsräumen auf. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Wände zumindest abschnittsweise eine konstante Wanddicke aufweisen.

Die gemeinsame Wand kann dadurch definiert sein, dass ihre erste Wandseitenfläche einen Teil des Niedertemperaturgitters bildet und ihre der ersten Wandseitenfläche abgewandte zweite Wandseitenfläche einen Teil des Hochtemperaturgitters bildet. Dabei erstreckt sich die erste Wandseitenfläche in den Diffusorbereich hinein. Dies erhöht vorteilhaft den Wärmestrom.

In einer ersten Ausführungsform ist der Wärmetauscher derart weitergebildet, dass die mindestens eine gemeinsame Wand zur Bildung des Diffusorbereichs in dem ersten Niedertemperaturkanal einen konvex gekrümmten, ersten Diffusorabschnitt aufweist. Vorzugsweise weist die gemeinsame Wand stromabwärts in dem Niedertemperaturgitter einen daran anschließenden geraden Hauptabschnitt zur Bildung eines Hauptbereichs des ersten Niedertemperaturkanals mit konstantem Querschnitt auf. Dies ermöglicht eine Richtungsänderung der Kaltströmung vom Anströmwinkel zum Hauptneigungswinkel des Niedertemperaturkanals.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wobei in dem Niedertemperaturkanal gegenüber der ersten gemeinsamen Wand eine zweite gemeinsame Wand angeordnet ist, die auf der von dem ersten Niedertemperaturkanal abgewandten Wandseite an einen zweiten Hochtemperaturkanal des Hochtemperaturgitters in dem Diffusorbereich angrenzt, wobei vorgesehen ist, dass die zweite gemeinsame Wand in dem Diffusorbereich einen konkav gekrümmten, zweiten Diffusorabschnitt aufweist. Gemäß einer Ausführung kann eine Krümmung des konvex gekrümmten, ersten Diffusorabschnitts kleiner sein als eine Krümmung des zweiten Diffusorabschnitts oder umgekehrt. Der Diffusorbereich und damit die Diffusorabschnitte beginnen insbesondere an einer engsten Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals, möglichst direkt hinter einem Einlauf des Niedertemperaturkanals.

Entsprechend kann in einer bevorzugten, weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Diffusorbereich ein Einlauf zur Umlenkung des Kühlfluids in den Diffusorbereichs angeordnet ist. Der Einlauf dient dazu das Fluid aus dem Strömungskanal in den Niedertemperaturkanal zu lenken. Dabei ist vorteilhaft eine dem Wind in dem Strömungskanal abgewandte Eintrittsfläche langgezogen, während eine dem Wind zugewandte gegenüberliegende Eintrittsfläche um etwa 180° gebogen ist. An ihrem Ende der Biegung der dem Wind zugewandten Eintrittsfläche in dem Niedertemperaturkanal befindet sich vorzugsweise die kleinste Querschnittsfläche des Niedertemperaturkanals. An ihrem anderen Ende der Biegung geht die dem Wind zugewandte Eintrittsfläche in eine dem Wind abgewandte Eintrittsfläche eines angrenzenden Niedertemperaturkanals über. In Strömungsrichtung in dem Niederdruckkanal folgt an den Einlauf idealerweise der Diffusorbereich, um die Strömung zu verzögern. Dadurch wird die Strömungsrichtung des Kühlfluids vorteilhaft an die Strömungsrichtung in dem Diffusorbereich angeglichen und der Luftwiderstand reduziert.

Um einen möglichst idealen Durchfluss durch den Niederdruckkanal zu erzielen, ist in dem Wärmetauscher in einer weiteren Ausführungsform stromabwärts des Diffusorbereichs ein Austrittsbereich mit einer Austrittsdüse zur Beschleunigung des Kühlfluids angeordnet.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Wärmetauscheranordnung mit einem Wärmetauscher, insbesondere mit einem oben beschriebenen Wärmetauscher, umfassend einen Strömungskanal zur Anströmung des Kühlfluids an den Wärmetauscher. Dabei ist der Wärmetauscher in dem Strömungskanal zur Führung des Kühlfluids angeordnet, und das Niedertemperaturgitter und das Hochtemperaturgitter bilden ein erstes Wärmetauschermodul des Wärmetauschers. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das erste Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte, erste Anströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die Anströmfläche einen Anströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals aufweist. Vorteilhaft kann so eine besonders gleichmäßige Anströmung (mit konstanter Anströmgeschwindigkeit) des Wärmetauschers und der einzelnen Niedertemperaturkanäle erzielt werden, was zu einer homogenen Strömung in jedem der Niedertemperaturkanäle und damit vorteilhaft einem homogenen Wärmestrom von dem Heißfluid auf das Kühlfluid führt. Man kann den Bereich des Strömungskanals vor dem Wärmetauscher auch als Anströmbereich bezeichnen, wobei die Kanalhauptrichtung in diesem Anströmbereich und die Anströmfläche den Anströmwinkel bilden. Bevorzugt ist der Anströmwinkel entlang zumindest eines Teils der Erstreckung der Anströmfläche konstant. In einer ergänzenden oder alternativen Ausführungsform kann die Anströmfläche gekrümmt oder abgewinkelt sein, wobei der Anströmwinkel dann entsprechende unterschiedliche Werte annehmen kann. Die Anströmfläche ergibt sich aus einer von dem Wärmetauscher aufgespannten, das heißt umhüllenden Fläche, wobei die Fläche stromaufwärts an den Strömungskanal angrenzt und ist eine Hilfskonstruktion zur Beschreibung der Grenzen des Wärmetauschers. Die Anströmfläche kann, insbesondere Abschnittsweise, eben, gekrümmt und/oder verdreht sein, Abhängig von der Anordnung der gemeinsamen Wände. Im Raum betrachtet hat eine als Ebene ausgebildete Anströmfläche zu jeder gemeinsamen Wand einen Linienkontakt. In einem Schnitt durch den Wärmetauscher reduziert sich der Kontakt auf Punktkontakte zu den gemeinsamen Wänden. Bei einer Krümmung der Anströmfläche erweitert sich der Kontakt entsprechend.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Strömungskanals nimmt der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung vor der Anströmfläche entlang des von dem Wärmetauschermoduls eingenommenen Bereichs ab. Es kann so vorteilhaft vorgesehen sein, dass in einem Auslegungspunkt des Wärmetauschers, der beispielsweise durch eine Reisegeschwindigkeit der die Wärmetauscher umgebende Strömungsmaschine festgelegt sein kann, das Kühlfluid schichtweise von einem Niedertemperaturkanal zu einem nächsten Niedertemperaturkanal in das Niedertemperaturgitter eingesogen wird. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass der Einlaufquerschnitt eines ersten, insbesondere jeden, Niedertemperaturkanals auf die Kanalhauptrichtung ausgerichtet ist bzw. quer zu dieser steht. Bevorzugt kann ein zweiter Einlauf eines zu dem ersten Niedertemperaturkanal benachbarten zweiten Niedertemperaturkanals versetzt angeordnet sein. Dadurch entstehen entlang der Strömung in dem Strömungskanal kaum räumliche Strömungen, so dass die Wärmetauscheranordnung besonders effizient arbeitet.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Wärmetauscheranordnung grenzt an den Diffusorbereich stromabwärts, insbesondere unmittelbar, ein Hauptbereich des Niedertemperaturkanals mit einer Erstreckungsachse an, wobei die Richtung der Erstreckungsachse, insbesondere eine Richtung einer Wanderstreckung der gemeinsamen Wand in dem Hauptbereich, zu der Anströmungsfläche des Wärmetauschers einen Hauptneigungswinkel zwischen 0° und 60°, vorzugsweise zwischen 30° und 55°, aufweist. Die Erstreckungsachse des Hauptbereichs ist vorzugsweise eine Gerade und kann insbesondere parallel zu einer Erstreckungsrichtung der Seitenflächen zumindest einer der gemeinsamen Wände in dem Hauptbereich verlaufen, insbesondere in Strömungsrichtung. Der Hauptbereich kann vorzugsweise entlang der Erstreckungsachse eine konstante Querschnittsfläche normal zu der Erstreckungsachse aufweisen. In dem Hauptbereich findet ein Großteil der Wärmeübertragung zwischen dem Niedertemperaturgitter und dem Hochtemperaturgitter statt. Dadurch, dass die Querschnittsfläche konstant entlang der Längserstreckung ausgebildet ist, kann ein gleichmäßiger Wärmetauscher gebildet werden und trägt vorteilhaft dazu bei, dass die Wände des Wärmetauschers zumindest größtenteils identisch und damit kostensparend ausgebildet werden können. Einen positiven synergistischen Effekt hat diese Ausbildung insbesondere in einer Wärmetauscheranordnung umfassend einen Wärmetauscher mit einer Gittermatrix aus Nieder- und Hochtemperaturgittern, deren Nieder- und Hochtemperaturkanäle zumindest entlang einer Erstreckung des Wärmetauschers jeweils gleichförmig ausgebildet sind. Weiterhin haben Berechnungen gezeigt, dass die Ausbildung von schräg zu der Anströmfläche, insbesondere schräg zu der Kanalhauptrichtung ausgebildeten Hauptbereichen zu hohen Strömungsverlusten führen kann. Dies wird erfindungsgemäß und vorteilhaft durch die Verzögerung in dem Diffusor vermieden.

Die Wärmetauscheranordnung kann in einer weiteren Ausführungsform so weitergebildet sein, dass eine Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das erste Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte, erste Abströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die erste Abströmfläche einen ersten Abströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung in dem Strömungskanal bildet. Dabei entspricht der Abströmwinkel eines Wärmetauschermoduls in einer vorteilhaften Ausführungsform dem Anströmwinkel dieses Wärmetauschermoduls. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Abströmwinkel zu dem Anströmwinkel verschieden ist. Die Abströmungsrichtung entspricht in einer vorteilhaften Ausführungsform der Anströmungsrichtung und damit der Hauptkanalrichtung. Bevorzugt nimmt der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung hinter der Abströmfläche entlang des von dem Wärmetauschermoduls eingenommenen Bereichs zu, insbesondere in dem Maß, in dem der Querschnitt des Strömungskanals in Strömungsrichtung vor der Anströmfläche abgenommen hat.

Darüber hinaus kann eine Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung vorsehen, dass der Wärmetauscher aus dem ersten Wärmetauschermodul und einem weiteren zweiten Wärmetauschermodul ausgebildet ist, dass eine weitere Vielzahl an Niedertemperaturkanälen das zweite Wärmetauschermodul bilden und dass eine weitere Vielzahl an gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das zweite Wärmetauschermodul begrenzende und von den gemeinsamen Wänden aufgespannte zweite Anströmfläche in dem Strömungskanal bilden, wobei die zweite Anströmfläche einen zweiten Anströmwinkel zwischen 0° und -45°, vorteilhaft zwischen -3° und -15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals bildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung bilden die weitere Vielzahl von gemeinsamen Wänden gemeinsam eine das zweite Wärmetauschermodul stromaufwärts begrenzende zweite Abströmfläche in dem Strömungskanal, wobei die zweite Abströmfläche einen zweiten Abströmwinkel zwischen 0° und 45°, vorteilhaft zwischen 3° und 15°, zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals bildet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung ist vorgesehen, dass das erste Wärmetauschermodul und das zweite Wärmetauschermodul flächensymmetrisch zu einer gemeinsamen zwischen den ersten und zweiten Wärmetauschermodulen liegenden Fläche ausgebildet sind, die parallel zu einer Kanalhauptrichtung des Strömungskanals verläuft.

Weiterhin kann die Wärmetauscheranordnung in einer bevorzugten Ausführungsform derart weitergebildet sein, dass ein Teil des Strömungskanals einen an dem Wärmetauscher vorbei verlaufenden Kaltkanal bildet. Hierdurch kann vorteilhaft lediglich ein Teil des zur Verfügung stehenden Kühlfluids zur Kühlung verwendet werden. Insbesondere in einem Triebwerk kann die übrige Luft so unverzögert zur Schuberzeugung genutzt werden.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Strömungsmaschine mit einem Nebenstromkanal und einer oben beschriebenen Wärmetauscheranordnung vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass der Strömungskanal ein Nebenstromkanal der Strömungsmaschine ist und das Niedertemperaturgitter in Fluidverbindung mit dem Nebenstromkanal steht. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Strömungsmaschine weist diese ferner einen Hauptstromkanal auf, wobei das Hochtemperaturgitter in Fluidverbindung mit einem Austritt des Hauptstromkanals steht. Durch diese Konfiguration kann auf einfache Weise vorteilhaft eine Wasserrückgewinnung aus dem Abgas der Strömungsmaschine unterstützt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wird bezüglich der nachfolgenden Zeichnungen anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung nach dem Prinzip des Standes der Technik

Fig. 2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einer Schnittansicht einer Umfangsebene einer Strömungsmaschine

Fig. 2b zeigt das erste Ausführungsbeispiel in einem Meridianschnitt der Strömungsmaschine

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Detailansicht A aus Fig. 2a

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einer Schnittansicht einer Umfangsebene einer Strömungsmaschine

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einer Schnittansicht einer Umfangsebene einer Strömungsmaschine

In Fig. 1 ist eine Wärmetauscheranordnung 1 aus dem Stand der Technik in einer Schnittansicht gezeigt, die einen Wärmetauscher 10 mit einem Niedertemperaturgitter 20 und einem Hochtemperaturgitter 30 gezeigt. Der Wärmetauscher 10 ist in einem Strömungskanal 3 zwischen einer Eintrittsfläche 2 und einer Austrittsfläche 4 des Strömungskanals 3 angeordnet. Der Wärmetauscher weist Niedertemperaturkanäle in dem Niedertemperaturgitter 20 auf, die im Wesentlichen parallel zu der Kanalhauptrichtung ausgebildet sind, was zu einer sehr großen Anströmfläche führt. Die Hochtemperaturkanäle verlaufen in die Schnittebene hinein. Die große, senkrecht zu der Strömungsrichtung ausgebildete Anströmfläche bewirkt ferner einen großen Luftwiderstand, insbesondere einen Druck- und Formwiderstand. Nachteilig sind derartige Konfiguration regelmäßig zu groß, um effektiv in einem realen Triebwerk angeordnet zu werden. Speziell, wenn sehr große Kühlluftströmungen benötigt werden.

Es folgen nun die Beschreibungen der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele. Der Einfachheit halber werden bei der Beschreibung der nun folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele dieselben Bezugszeichen wie bei der Beschreibung des Standes der Technik verwendet, da es sich um die gleichen Komponentenbezeichnungen handelt.

Fig. 2a zeigt die Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung 1 mit einem Strömungskanal 3 und einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 10 in dem Strömungskanal 3. Der Strömungskanal 3 ist dabei in einer Strömungsmaschine 100 angeordnet. Der Strömungskanal 3 wird von einem Kühlfluid durchströmt, wobei das Kühlfluid durch eine Eintrittsfläche 2 in den Strömungskanal 3 einströmt, den Wärmetauscher 10 durchströmt und nach einer weiteren Durchströmung des hinteren Strömungskanals 3, wieder aus dem Strömungskanal 3 an einer Austrittsfläche 4 austritt. Eine Kanalhauptrichtung 5 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Räumlich betrachtet kann der Strömungskanal 3 z.B. die Form eines Kreisringausschnitts oder eine Rechteckform aufweisen, wobei der Strömungskanal von Kanalseiten seitlich begrenzt sein kann. Die Anordnung des Strömungskanals 3 kann wiederholt werden, wobei dann auch einige gemeinsame Seiten entfernt oder weggelassen werden können, so dass sich eine Wärmetauscheranordnung 1 mit mehreren Wärmetauschern 10 ergibt.

Beispielsweise kann sich eine solche Wärmetauscheranordnung um einen Kern eines Triebwerks in Umfangsrichtung erstrecken.

Der Wärmetauscher 10 wird aus einer Eintrittsverkleidung 13, einer Gittermatrix bestehend aus einem Niedertemperaturgitter 20 und einem Hochtemperaturgitter 30 sowie einer Austrittsverkleidung 18 gebildet. Die Gittermatrix wird im Folgenden auch als ein Wärmetauschermodul 11 bezeichnet. Die in Fig. 3 genauer beschriebenen Nieder- und Hochtemperaturgitter 20, 30 stehen dabei in einer Kreuzstromkonfiguration zueinander, das heißt, eine Vielzahl an Niedertemperaturkanälen 21 des Niedertemperaturgitters 20 und eine Vielzahl an Hochtemperaturkanälen 31 verlaufen senkrecht zueinander. Dabei verlaufen die Niedertemperaturkanäle 21 größtenteils in Richtung der eingezeichneten Erstreckungsachse 27, während die Hochtemperaturkanäle 31 in eine Richtung in die Zeichenebene hinein verlaufen. In Fig. 2b ist eine Seitenansicht der Wärmetauscheranordnung 1 aus Fig. 2a dargestellt, in der mit größeren Pfeilen die Verlaufsrichtung 37 der Hochtemperaturkanäle 31 schematisch dargestellt ist. Die Austrittsverkleidung 18 richtet die Strömung des Kühlfluids in einem Nachlauf stromabwärts des Wärmetauschermoduls 11.

Der Wärmetauscher 10 weist ganz allgemein eine Anströmfläche 14 auf, die in einem Winkel ai zu der Kanalhauptrichtung 4 geneigt angeordnet ist. Anhand der Fig. 3 wird eine genauere Definition der Anströmfläche beschrieben. Ferner weist der Wärmetauscher 10 eine Abströmfläche 16 auf, die in einem Winkel 02 zu der weiteren Kanalhauptrichtung 4 geneigt ist. Durch die Neigung ergibt sich vorteilhaft eine große Anströmfläche. Innerhalb des Wärmetauschers 10 weisen die Niedertemperaturkanäle 21 ihrerseits einen Hauptneigungswinkel ß zu der Anströmfläche 14 auf, der von dem Winkel ai verschieden ist. Dadurch wird die gesamte Umlenkung der Kühlluft beim Durchströmen des Wärmetauschers minimiert, so dass Druckverluste verringert werden.

Das durch den Strömungskanal 3 strömende Fluid wird in dem Bereich der Eintrittsverkleidung weder verzögert noch beschleunigt, da - wie gemeinsam aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich ist - die Querschnittsfläche normal zu einer Axialrichtung Ax in diesem Bereich gleichbleibt. Zwar verengt sich der Strömungskanal 3 in eine Axialrichtung Ax in Fig. 2a, da bereits die Eintrittsverkleidung 13 in den Strömungskanal 3 hineinragt, allerdings erweitert sich der Strömungskanal 3 in einer Radialrichtung R, wie aus Fig. 2b ersichtlich ist, was zusammengenommen zu wesentlich konstanten Flächen der Querschnitte normal zu der Axialrichtung Ax durch die Wärmetauscheranordnung 1 führt. Während die radialen Begrenzungswände für eine Querschnittsverkleinerung genutzt werden können, um eine Düsenströmung zu erzeugen.

In Fig. 2b ist das erste Ausführungsbeispiel der Wärmetauscheranordnung 1 aus Fig. 2a in einer seitlichen Schnittansicht, insbesondere in einem Meridianschnitt gezeigt. Dargestellt ist die schon erwähnte Strömungsrichtung 37 des Hochtemperaturgitters 30. In einem hinteren Bereich des Wärmetauschers sind in dem Niedertemperaturgitter 20 und dem Hochtemperaturgitter 30 Querrippen 19 angedeutet, die eine Maßnahme darstellen, um eine vergrößerte Oberfläche für den Wärmetausch bereitzustellen.

In Fig. 3 ist die in Fig. 2a eingezeichnete Detailansicht A vergrößert dargestellt, wobei die tatsächlichen Verläufe der Gittermatrix des Wärmetauschers 10 ersichtlich sind. Der Wärmetauscher 1 umfasst das Niedertemperaturgitter 20, das aus einer Vielzahl an Niedertemperaturkanälen 21 besteht sowie das Hochtemperaturgitter 30, das aus einer Vielzahl an Hochtemperaturkanälen 31 besteht. Die Niedertemperaturkanäle 21 weisen jeweils einen Einlauf 22 auf, der einer Einführung und ersten Umlenkung der Strömung des Kühlfluids aus dem Strömungskanal 3 dient. Der Einlauf 22 endet in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer stromabwärtigen Engstelle, die als Eintrittsquerschnitt 23 in einen stromabwärts nachfolgenden Diffusorbereich 24 des Niedertemperaturkanals 21 dient. Die Größe einer Querschnittsfläche in dem Diffusorbereich 24 nimmt entlang der Längserstreckung des Diffusorbereichs 24 stetig bis zu einer in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel maximalen Querschnittsfläche 25 zu. An den Diffusorbereich 24 grenzt stromabwärts ein Hauptbereich 26, dessen Querschnitt entlang seiner Längserstreckung konstant ist. Somit ist die maximale Querschnittsfläche einer konstanten Querschnittsfläche 25 in dem Hauptbereich 26. Stromabwärts grenzt an den Hauptbereich 26 eine Düsenbereich 28, dessen Querschnittsfläche sich von der Größe der konstanten Querschnittsfläche 25 auf eine Austrittsquerschnittsfläche 29 verkleinert, so dass die Strömung des Kühlfluids beschleunigt wird. Die Geschwindigkeit der Strömung des Kühlfluids erhöht sich entlang der Durchströmung des Niedertemperaturkanals 21 aufgrund des Wärmestroms aus dem Hochtemperaturkanals 31 , der von einem Heißfluid durchströmt wird, das eine höhere Temperatur als das Kühlfluid aufweist. Dadurch wird die Strömung in dem Niedertemperaturkanal 21 weiter beschleunigt.

Ein Niedertemperaturkanal 21 und ein erster Hochtemperaturkanal 31 weisen jeweils eine erste gemeinsame Wand 40 auf. Ein Hochtemperaturkanal 31 wird dabei von eine gemeinsamen Wand umlaufen, während ein Niedertemperaturkanal 21 eine gemeinsamen erste Wand 40 mit einem ersten benachbarten Hochtemperaturkanal 31 und eine weitere zweite gemeinsame Wand 40 mit einem zweiten benachbarten Hochtemperaturkanal 31 teilt.

Der Verlauf der ersten und zweiten Wand 40 in der in Fig. 3 dargestellten Schnittebene wird im Folgenden zunächst anhand der ersten Wand 40 beschrieben: Beginnend an der Anströmfläche 14 weist die Wand 40 in dem Einlaufbereich 22 einen windabgewandten Einlaufabschnitt 42 auf. An den windabgewandten Einlaufabschnitt 42 weist die gemeinsamen Wand 40 in dem Diffusorbereich 24 einen konvexen Diffusorabschnitt 42 auf. An den Diffusorabschnitt 44 anschließend ist ein erster planer Hauptabschnitt 46 in dem Hauptbereich 26 angeordnet. Dessen Wanderstreckung wird für die Bestimmung des Hauptneigungswinkels ß herangezogen. Die Parallelität der Wanderstreckung in dem Hauptabschnitt 46 und der Haupterstreckung 27 des Hauptbereichs 26 des Niedertemperaturkanals 21 ist in Fig. 3 durch Parallelzeichen dargestellt. An den Hauptabschnitt 46 der gemeinsamen Wand anschließend ist ein konkaver Austrittsabschnitt 48 angeordnet, der sich bis zu der Abströmfläche 16 erstreckt. Gegenüber des ersten gemeinsamen Wandabschnitts ist in dem Niedertemperaturkanal 21 ein weiterer gemeinsamer Wandabschnitt angeordnet, der folgenden Verlauf aufweist: Beginnend an der Anströmfläche 14 weist die zweite gemeinsame Wand 40 einen windzugewandten Einlaufabschnitt 43 in dem Einlaufbereich 22 auf, wobei der windzugewandten Einlaufabschnitt 43 verrundet ist und, wobei die Verrundung bis zu der Stelle des geringsten Querschnitts verlaufen kann. An den windzugewandten Einlaufabschnitt 43 schließt ein konkaver Diffusorabschnitt 45 in dem Diffusorabschnitt 24 an. Dabei ist die Krümmung des konvexen Diffusorabschnitts 44 der ersten gemeinsamen Wand 40 größer als die Krümmung des konkaven Diffusorabschnitts 45 der zweiten gemeinsamen Wand 40, so dass sich der Diffusorbereich 24 aufweitet und somit entlang seiner Längserstreckung einen stetig größer werdende Querschnittfläche aufweist, wodurch die Strömung vorteilhaft verzögert wird. An den konkaven Diffusorabschnitt 45 schließt ein zweiter planarer Hauptabschnitt 47 in dem Hauptbereich 26 an, der in der Schnittansicht parallel zu der Erstreckung des ersten Hauptabschnitts 46 verläuft. An den zweiten Hauptabschnitt 47 schließt ein konvexer Austrittsabschnitt 49 in dem Austrittsbereich 28 an, der sich bis zu der Abströmfläche 16 erstreckt. Ein Hochtemperaturkanal 31 ist in dem Ausführungsbeispiel von einer als Blech ausgebildeten einzelnen gemeinsamen Wand 40 umgeben, wobei der konkave Austrittsabschnitt 48 und der konvexe Austrittsabschnitt 49 der einzelnen gemeinsamen Wand 40 aneinander anliegen und verschweißt oder verlötet sind und so den Hochtemperaturkanal 31 vollständig umschließen.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung 1 , wobei die Umfangserstreckung des Strömungskanals 3, hier entsprechend der Umfangserstreckung der Eintrittsfläche 2, größer als in dem ersten Ausführungsbeispiel ist, während die Größe des Wärmetauschers 10 zu der Größe in dem ersten Ausführungsbeispiel identisch ist. Dadurch wird die Strömung geteilt, wobei ein Teil der Strömung in den Wärmetauscher 10 strömt und ein Teil als ein kalter Strom an dem Wärmetauscher 10 vorbei geleitet ist. Entsprechend ergibt sich ein Heißströmungskanal 6 hinter der Abströmfläche dem Wärmetauscher und ein Kaltströmungskanal 7 neben dem Wärmetauscher, deren Austrittsflächen entsprechend Anteilig zu einem Gesamtmassenstrom beitragen.

In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung 1 dargestellt, die in dem Ausführungsbeispiel eine Spiegelung der Wärmetauscheranordnung 1 an einer Spiegelfläche 9 darstellt, die von einer Radialrichtung R und einer Axialrichtung Ax aufgespannt wird. Dadurch wird eine V- Anordnung der Wärmetauscheranordnung 1 realisiert, wobei die Wärmetauscheranordnung 1 ein erstes Wärmetauschermodul 11 und ein zweites Wärmetauschermodul 12 aufweist. Die beiden Wärmetauschermodule 11 , 12 sind in Strömungsrichtung vorne durch eine gemeinsame Eintrittsverkleidung 13 verbunden, weisen aber jeweils eine eigene Austrittsverkleidung 18 auf. Die An- und Abströmwinkel der An- und Abströmflächen 14, 16 können aber je nach Einbausituation variieren. So kann vorgesehen sein, dass ein erster Anströmwinkel en einer ersten Anströmfläche 14 kleiner oder größer ist als ein Anströmwinkel 02 einer zweiten Anströmfläche 15. Entsprechendes gilt für den ersten Abströmwinkel ai‘ der ersten Abströmfläche 16 und den ersten Abströmwinkel 02' der zweiten Abströmfläche 17. Der Heißströmungskanal 6 entspringt dabei an den beiden Abströmflächen 16 und

17 der beiden Wärmetauschermodule 11 , 12 und verläuft zwischen diesen. Zwischen den Abströmverkleidungen 18 erfolgt eine Expansion des erwärmten Kühlgases. Der Kaltströmungskanal 7 ist ein Kanalabschnitt, der an dem Wärmetauscher 10 beidseitig vorbeigeleitet ist.

Auch die in den Fig. 4 und Fig. 5 beschriebene Wärmetauscheranordnung 1 kann in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sein, so dass sich insbesondere eine Wärmetauscheranordnung 1 mit mehrere abwechselnden Heißströmungskanälen 6 und Kaltströmungskanälen 7 ergibt.

Bezugszeichenliste

1 Wärmetauscheranordnung

2 Eintrittsfläche an der Eintrittsverkleidung

3 Strömungskanal

4 Austrittsfläche an der Austrittsverkleidung

5 Kanalhauptrichtung

6 Heißströmungskanal

7 Kaltströmungskanal

10 Wärmetauscher

11 erstes Wärmetauschermodul

12 zweites Wärmetauschermodul

13 Eintrittsverkleidung

14 erste Anströmfläche

15 zweite Anströmfläche

16 erste Abströmfläche

17 zweite Abströmfläche

18 Austrittsverkleidung

19 Querrippen

20 Niedertemperaturgitter

21 Niedertemperaturkanal

22 Einlauf

23 Eintrittsquerschnitt

24 Diffusorbereich

25 konstante Querschnittsfläche

26 Hauptbereich eines Niedertemperaturkanals

28 Düsenbereich

29 Austrittsquerschnitt

30 Hochtemperaturgitter

31 Hochtemperaturkanal 40 gemeinsame Wand zur Wärmeübertragung

42 windabgewandter Einlaufabschnitt

43 windzugewandter Einlaufabschnitt

44 konvexer Diffusorabschnitt der gemeinsamen Wand

45 konkaver Diffusorabschnitt der gemeinsamen Wand

46 gerader Hauptabschnitt der gemeinsamen Wand

47 zweiter Hauptabschnitt der gemeinsamen Wand

48 konkaver Düsenabschnitt der gemeinsamen Wand

49 konkaver Düsenabschnitt der gemeinsamen Wand

100 Strömungsmaschine ai erster Anströmwinkel

02 zweiter Anströmwinkel ai‘ erster Abströmwinkel

02' zweiter Abströmwinkel ß Hauptneigungswinkel