Patentierte Hochleistungs-Wärmetauscher für industrielle Anwendungen
Mehr Wärmeübertragung, weniger Druckverlust, signifikante Energieeinsparung –
bereit für industrielle Lizenzpartnerschaften
Die industrielle Herausforderung moderner Wärmetauscher
Der Lamellenrohr-Wärmetauscher gilt als Herzstück jeder Wärmepumpe, Klimaanlage und zahlreicher industrieller Anwendungen. Er übernimmt die entscheidende Aufgabe, thermische Energie effizient zwischen unterschiedlichen Medien zu übertragen und bestimmt damit maßgeblich die Gesamtleistung und Energieeffizienz des gesamten Systems.
Die Kernherausforderung für OEMs und Wärmetauscher-Hersteller
Marktdruck auf Hersteller von Wärmetauschern
- OEM fordern höhere Effizienz
- Preisdruck steigt
- Materialkosten volatil
- Differenzierung wird schwieriger
Physikalischer Hintergrund
- Parallelströmung
- Begrenzte Turbulenz
- Standard-Lamellenblock
- Skalieren über:
- Mehr Luft
- Mehr Material
- Mehr Volumen
Technologieangebot zur Differenzierung im OEM-Markt
- Patentierte alternierende Lamellenversetzung
- Keine neue Materialklasse
- Keine neue Fertigungstechnologie
- Geometrische Optimierung der Lufteintrittszone
OEM-Herausforderung
- Steigende Effizienzanforderungen (Ecodesign, F-Gas)
- Höherer Lüfterenergiebedarf bei Leistungssteigerung
- Steigende Energiepreise
- Geräuschgrenzwerte im Wohnbereich
Fakt:
🔺 2× Luftmenge → bis zu 5× Leistungsbedarf (+500 %)
➡️ Ein System, das nicht effizient skaliert
Der Hebel liegt im Wärmeübertrager
- Direkter Einfluss auf COP/EER
- Bestimmt Ventilatorleistung
- Beeinflusst Geräuschentwicklung
- Relevanter Anteil am Materialeinsatz
Mehr Kosten pro zusätzlichem kW
Der nächste Effizienzsprung für Wärmetauscher und OEMs
- Bis zu 20 % Energieeinsparung
- Bis zu 13 % Materialeinsparung
- Integration in bestehende Fertigung möglich
- Übertragbar auf bestehende Baugrößen und Varianten
Die Innovation - Patentierte Lamellenversetzung
Mit der patentierten Lamellenversetzung (DE102012007570) wird ein neuartiger Ansatz in der Wärmetauscher-Technologie eingeführt, der gezielt an den strukturellen Schwächen konventioneller Lamellenrohr-Wärmetauscher ansetzt. Die Innovation optimiert die Strömungs- und Wärmeübertragungsprozesse innerhalb des Wärmetauschers, ohne das Grundkonzept oder bewährte Fertigungsverfahren zu verändern.
Lamellenanordnung mit alternierender Versetzung
Lamellenversetzung - Optimierte Strömung statt reiner Oberflächenvergrößerung
Geometrischer Eingriff
- Luft strömt nicht mehr parallel zu den Lamellen
→ erhöhte Turbulenz - Lufteintrittsflächen größer als die Flächen zwischen den Lamellen
→ erhöhte Luftgeschwindigkeit - Höhere Lamellenanzahl bei gleichem Bauraum
→ geringere Lamellenhöhe und weniger Rohrreihen
→ erhöhte Effizienz
Verteilung der Wärmeübertragung auf Lamellenoberfläche
Geometrischer Eingriff
Mehr Lamellen bei reduzierter Bauhöhe und weniger Rohrreihen bedeuten:
Die effektivsten Wärmeübertragungszonen am Lufteintritt werden gezielt ausgebaut, während ineffiziente Bereiche verkleinert werden – für maximale Performance pro Bauraum.
Perspektivische Darstellung der Lamellenanordnung
Technischer Vergleich
Der Vergleich mit dem konventionellen Modell zeigt:
Ø Bei gleichen Lufteintrittsflächen:
- Eintrittsfläche > freie Zwischenlamellenfläche
- Höhere lokale Luftgeschwindigkeit
Ø Bei gleichen Lamellenabstand:
- Gezielte Turbulenzerhöhung bei höherem Luftdurchsatz
→ gesteigerte Wärmeübertragung bei kontrolliertem Druckverlust
v F₁ und S₁ als zentrale Optimierungshebel:
- Reynolds-Zahl
- Turbulenzintensität
- Druckverlust
- Erweiterte Designfreiheitsgrade.
- Mehr Optimierungsspielraum.
- Erhöhte geometrische Flexibilität.
Energieeinsparungen von bis zu 20 % und/oder Materialeinsparung von bis 13%
Wettbewerbsvorteile für OEMs und Wärmetauscher-Hersteller
Wettbewerbsvorteile für OEMs:
- Energieklasse verbessern
- Gerätevolumen reduzieren
- Ventilator kleiner auslegbar
- Zusätzliche Systemeinsparung von 3–8 %
- Reduzierte Logistikkosten
- Potenziell bessere Marge
Wettbewerbsvorteile für Wärmetauscher-Hersteller:
- Möglichkeit, OEM höhere Effizienz zu bieten
- Wettbewerbsvorteil bei Ausschreibungen
- Premium-Produktlinie möglich
- Höhere Wertschöpfung pro Wärmetauscher
- Weniger Kupfer / Aluminium
- Geringeres Gewicht
- Reduzierte Logistikkosten
- Potenziell bessere Marge
Kein neues Verfahren – ein neues Prinzip
Leistungsbedarf und Wärmeübertragung im direkten Systemvergleich
Die Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers beeinflusst unmittelbar den Stromverbrauch, die Betriebskosten, die Systemgröße sowie die akustischen Eigenschaften der Anlage.
In luftgeführten Systemen – etwa in Wärmepumpen, Klimageräten oder industriellen Kühlanwendungen – bestimmt der Wärmeübertrager maßgeblich, wie viel Luft bewegt werden muss, um die geforderte thermische Leistung zu erreichen.
Wärmetauscher nach Stand der Technik
Steigt der benötigte Wärmestrom, wird bei konventionellen Lamellenrohr-Wärmetauschern in der Regel der Luftvolumenstrom erhöht. Dies führt zu:
- höheren Ventilatordrehzahlen
- überproportional steigendem Leistungsbedarf
- erhöhtem Druckverlust
- zunehmenden Geräuschemissionen
- größer dimensionierten Systemkomponenten
Leistungsbedarf wächst überproportional mit dem Luftvolumenstrom:
2× Luftvolumenstrom → +36,3% × Wärmestrom
→ +555% × Ventilatorleistungsbedarf
Konventionelle Lamellenrohr-Geometrie
Die patentierte Lamellenversetzung verfolgt einen anderen Ansatz.
Statt den Wärmestrom primär über mehr Luftmenge zu steigern, wird die lokale Wärmeübertragung gezielt durch geometrische Optimierung verbessert.
Dadurch ergeben sich entscheidende Vorteile im Systemkontext:
- Höhere effektive Wärmeübertragung bei gleicher oder geringerer Luftmenge
- Reduzierter Ventilatorleistungsbedarf
- Geringere Druckverluste
- Verbesserte akustische Eigenschaften
- Potenzial zur Reduzierung von Bauraum und Materialeinsatz
Gegenüber dem Referenzmodell zeigen sich folgende Unterschiede bei Leistungsaufnahme und Luftvolumenstrom:
1× Luftvolumenstrom → +19,5% × Wärmestrom
→ +111% × Ventilatorleistungsbedarf
Für OEM bedeutet dies:
Mehr thermische Leistung ohne exponentiell steigenden Energiebedarf.
Für Hersteller bedeutet dies:
Ein klar messbarer Performancevorsprung gegenüber dem Stand der Technik – ohne grundlegende Änderung der etablierten Fertigungsprozesse.
Stand der Technik - Ein System, das nicht effizient skaliert
Konventionell vs. patentiert - Effiziente Skalierung statt exponentiellem Leistungsanstieg
Technologieinnovation ohne Investitionsrisiko
Die Einführung neuer Wärmetauscher-Technologien scheitert häufig nicht an der technischen Idee, sondern an den erforderlichen Investitionen in neue Werkzeuge, Maschinen oder Fertigungsprozesse.
In diesem Abschnitt wird ausschließlich das Innovationskonzept gemäß Patent DE102012007570 dargestellt.
Patentierte Geometrie – integriert in bestehende Fertigungsprozesse
Das Konzept nutzt bestehende Produktionsstrukturen ohne strukturelle Änderungen.
Maximale Performanceverbesserung bei vollständiger Fertigungskompatibilität.
Sowohl konventionelle als auch patentierte Modelle basieren auf:
- Standard-Lamellen
- Standard-Rohren
- etablierten Aufweit- und Montageprozessen
- bestehenden Produktionslinien
Es sind keine neuen Materialien, keine zusätzlichen Bauteile und keine grundlegenden Prozessänderungen erforderlich.
Der Unterschied liegt ausschließlich in zwei einfachen Integrationsschritten:
- Gezielte Verschiebung der Rohrlochposition um wenige Millimeter
(Anpassung innerhalb bestehender Stanz- bzw. Werkzeugtoleranzen) - Rotation jeder zweiten Lamelle um 180° vor der Montage
Diese Anpassungen sind im Vergleich zum konventionellen Aufbau einfach umsetzbar und verursachen keinen signifikanten Mehraufwand im Fertigungsprozess.
Ergebnis für Hersteller:
- Nutzung vorhandener Produktionsinfrastruktur
- Minimales Implementierungsrisiko
- Keine zusätzlichen Investitionen in Maschinen
- Skalierbare Integration
- Technologische Differenzierung im Markt
Ergebnis für OEM:
- Leistungssteigerung ohne Mehrkosten in der Beschaffung
- Kompatibilität mit bestehenden Lieferketten
- Schnelle Markteinführung
Innovatives Anordnungsprinzip der Lamellen
Konventionelle Lamellenanordnung
Versetzte Lamellenanordnung
Marktentwicklung – Fakten & Prognosen
Wärmepumpen
- 3,02 Millionen verkaufte Wärmepumpen in Europa im Jahr 2023
- Rund 60 Millionen installierte Anlagen in der EU bis 2030
- Über 4 Millionen installierte Wärmepumpen in den USA im Jahr 2021
- Asien-Pazifik-Region mit 49,77 Prozent Marktanteil im Jahr 2023
Klimaanlagen
- Rund 2 Milliarden Klimaanlagen weltweit in Betrieb
- Erwartet werden 5,2 Milliarden Geräte weltweit bis 2050
- Anteil der Haushalte mit Klimaanlage in Deutschland steigt von 3 Prozent im Jahr 2015 auf etwa 25 Prozent im Jahr 2050
Erweiterte industrielle Anwendungsfelder
Wärmetauscher kommen über Wärmepumpen und Klimaanlagen hinaus in zahlreichen technischen und industriellen Anwendungen zum Einsatz:
- Industrielle Kühl- und Prozesssysteme
Temperaturregelung in thermischen Produktionsprozessen, Chemie- und Verfahrenstechnik - Maschinen- und Anlagenbau
Kühlung von Hydrauliksystemen, Antrieben, Werkzeugmaschinen und Industrieaggregaten - Kälteanlagen und gewerbliche Kühlung
Supermärkte, Logistikzentren, Lebensmittelindustrie - Rechenzentren und Leistungselektronik-Kühlung
Thermomanagement für Server, Umrichter, Batteriesysteme und Leistungsmodule - Lüftungs- und Luftbehandlungssysteme
Gewerbe- und Industriegebäude, Krankenhäuser, Reinräume - Energietechnik und Rückkühlsysteme
Kraftwerksanwendungen, Energiespeichersysteme, Wasserstoff- und Power-to-X-Anlagen - Automatisierungstechnik und Produktionsanlagen
Prozessstabilisierung durch gezielte Wärmeabfuhr
Schaffen wir die Energiewende mit veralteten Technologien?
Begriffe wie Klimaziele, Energiesparen, Wärmepumpen und steigende Materialkosten sind heute allgegenwärtig. Für die Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesse in industriellen und haushaltsnahen Anwendungen sind Wärmetauscher – darunter Verdampfer und Kondensatoren – unerlässlich. Eine weit verbreitete Bauart ist der Lamellen-Rohr-Wärmetauscher, der in den meisten Klimageräten und Wärmepumpen zum Einsatz kommt.
Diese Art von Wärmetauschern wird seit Langem in nahezu unveränderter Form gefertigt. Bisher konzentrierte sich die Optimierung dieser Systeme meist auf die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und die geometrische Anpassung von Lamellen und/oder Rohren. Auch wenn solche Maßnahmen die Wärmeübertragung verbessern, gehen sie oft mit erhöhtem Material- und Energieaufwand einher.
Mit der steigenden Nachfrage nach Klimageräten gewinnt die Effizienz und Nachhaltigkeit dieser Technologien zunehmend an Bedeutung. Nur durch optimierte Lösungen lassen sich Energieeinsparungen realisieren, Emissionen reduzieren und wertvolle Ressourcen langfristig schonen.
Energieeffizientere Wärmetauscher bedeuten:
- Reduzierter Stromverbrauch
- Geringere Betriebskosten
- Verminderte CO₂-Emissionen
- Beitrag zur Erreichung nationaler und internationaler Klimaziele
Die Patentverwertung verbindet somit wirtschaftliche Attraktivität mit nachhaltiger Wirkung
Unser Versprechen
Unsere Erfindungen haben bewiesen, dass bereits eine kleine Änderung in der Anordnung von Lamellen und Rohren eine große, positive Wirkung erzielen kann.
Zwei unserer noch nicht kommerziell genutzten Patente können einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des Energie- und/oder Materialverbrauchs leisten und gleichzeitig die Kosten senken. Diese Kosteneinsparungen sind sowohl für die Hersteller als auch für die Verbraucher solcher Geräte von Bedeutung. Darüber hinaus bieten sie weitere wichtige Vorteile, wie eine Verringerung des Platz-/Volumenbedarfs, geringeren Lärm und verkürzte Aufheizzeiten.
Die Forschungsergebnisse der nach den beiden Patenten entwickelten Wärmetauscher wurden nicht nur in der Doktorarbeit von Frau Karmo ausführlich diskutiert, sondern auch in verschiedenen internationalen und nationalen Fachzeitschriften veröffentlicht. Diese Erfindungen wurden auf der 64. Internationalen Fachmesse iENA 2012 in Nürnberg mit einer Bronzemedaille ausgezeichnet.
Ein Wärmetauscher mit den Abmessungen Länge = 28 cm, Breite = 20 cm und Höhe = 14 cm, der nach dem ersten Patent entwickelt wurde, kann beispielsweise eine Energieeinsparung von bis zu 57 % sowie Materialeinsparungen bei Lamellen und Rohren von etwa 39 % erreichen. Je größer der Wärmetauscher, desto höher sind die Einsparungen in Bezug auf Material und Energieverbrauch.
Diese Technologie soll nicht isoliert bleiben, sondern industriell skaliert werden.
Durch Lizenzierung – exklusiv oder nicht-exklusiv – wird eine schnelle Markteinführung ermöglicht.
Das Ziel ist klar:
Effizienzsteigerung in thermischen Systemen – wirtschaftlich, industriell und ökologisch wirksam.
Patentvermarktung
Die beiden erteilten Patente im Bereich Lamellenrohr-Wärmeübertrager werden gezielt zur industriellen Umsetzung angeboten.
Ziel ist die Zusammenarbeit mit:
- Wärmetauscher-Herstellern
- OEMs im Bereich Wärmepumpen, Klima- und Industrieanlagen
- strategischen Investoren
Die patentierte Lamellenversetzung ermöglicht eine messbare Effizienzsteigerung bei gleichzeitig voller Fertigungskompatibilität. Dadurch entsteht ein klarer technologischer Differenzierungsvorteil – ohne grundlegende Änderungen bestehender Produktionsprozesse.
Mehrwert für Hersteller
- Technologische Differenzierung im Wettbewerb
- Erweiterung des Produktportfolios um eine leistungsstärkere Variante
- Nutzung bestehender Fertigungsinfrastruktur
- Erschließung neuer Marktsegmente
Mehrwert für OEM
- Höhere Systemleistung bei geringerem Energiebedarf
- Reduzierte Geräuschentwicklung
- Potenzial zur Bauraum- und Materialreduktion
- Verbesserte CO₂-Bilanz der Endgeräte
Mehrwert für Investoren
- Skalierbares Lizenzmodell
- Anwendbarkeit in mehreren Industriezweigen
- Hebelwirkung im wachsenden Markt energieeffizienter Systeme
- Technologie mit nachgewiesenem Effizienzvorteil
Wie funktioniert ein Lamellenrohr-Wärmetauscher?
Ein Lamellenrohr-Wärmetauscher besteht hauptsächlich aus Rohren und daran befestigten Lamellen. Diese Lamellen, die parallel zueinander angeordnet sind, dienen dazu, die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. Dadurch lässt sich die Leistung des Wärmetauschers auf verschiedene Weise steigern:
- Erhöhung der Lamellenanzahl
- Erhöhung der Anzahl der Rohrreihen
- Vergrößerung der Lamellenfläche
- Verbesserung des Kontakts zwischen Lamellen und Rohren
- Erhöhung der Luftgeschwindigkeit
Diese Maßnahmen haben jedoch auch Nachteile, wie höhere Materialkosten, einen gesteigerten Energieverbrauch und größere Abmessungen des Endgeräts. Zudem nimmt die Effektivität mit der Anzahl der Rohrreihen spürbar ab.
Patent DE 10 2012 007 570
Das Patent DE 10 2012 007 570 mit dem Titel "Lamellen-Rohr-Wärmetauscher mit verbesserter Wärmeübertragung" beschreibt eine innovative Methode, die als "Lamellenversetzung" bezeichnet werden kann.
Die Grundidee ist simpel: Die Bereiche des Wärmetauschers, in denen die Wärmeübertragung am effektivsten ist (auf der Lufteintrittsseite), werden vergrößert, während die weniger effektiven Bereiche verkleinert werden.
Dabei werden die Lamellen im Lamellenblock versetzt angeordnet. Konkret bedeutet das, dass benachbarte, zur X-Y-Ebene parallele Lamellen (Lamelle b) abwechselnd um einen kleinen Betrag in Y-Richtung verschoben werden. Der Abstand S zwischen den Lamellenkanten bleibt konstant. Das Ergebnis:
- Die Luft strömt nicht mehr parallel zu den Lamellen, was zu einer erhöhten Turbulenz führt.
- Die Lufteintrittsflächen sind größer als die Zwischenräume der Lamellen, wodurch die Luftgeschwindigkeit steigt.
- Mehr Lamellen passen in den Lamellenblock, was durch eine geringere Lamellenhöhe und weniger Rohrreihen zu einer höheren Effektivität führt.
Patent DE 10 2012 007 063
Das Patent DE 10 2012 007 063 mit dem Titel "Lamellen-Rohr-Wärmetauscher mit verbesserter Wärmeübertragung" beschreibt einen Wärmetauscher in Zickzackform.
Diese Erfindung bietet mehrere Vorteile, insbesondere die Vergrößerung des Kontaktbereichs zwischen den Lamellen und den Rohren.
Der zickzackförmige Wärmeübertrager wird erzielt, indem die Rohre geneigt und die Lamellen in vertikaler Ausrichtung belassen werden. Dadurch entsteht eine Zickzackform des Wärmetauschers. Die Ergebnisse sind:
- Ellipsenförmiger Kontakt zwischen den Lamellen und den Rohren
- Luft strömt nicht mehr parallel zu den Lamellen, was zu erhöhter Turbulenz führt
- Die Lufteintrittsflächen sind größer als die Flächen zwischen den Lamellen, was die Luftgeschwindigkeit erhöht
- Mehr Lamellen können im Lamellenblock untergebracht werden, wodurch die Lamellenhöhe verringert und die Anzahl der Rohrreihen reduziert wird, was die Effizienz steigert.
Umsetzung & Mehrwert der patentierten Geometrien
Die folgenden Visualisierungen zeigen die beispielhafte technische Umsetzung der beiden patentierten Konzepte.
Im Mittelpunkt steht eine geometrische Optimierung mit messbarem Effizienzgewinn – nicht eine Erhöhung von Luftleistung, Materialeinsatz oder Geräteabmessungen.
Lamellenversetzung: DE 10 2012 007 570
Die gezielte Versetzung identischer Lamellen erweitert die thermisch hochwirksamen Eintrittsbereiche und erhöht die lokale Wärmeübertragung.
Die Grundbauform des Wärmetauschers bleibt dabei unverändert.
Ergebnis & Mehrwert:
- Erhöhte Wärmeübertragung
- Erhöhung der Lamellenanzahl bei reduzierter Lamellenhöhe
- Bauform bleibt unverändert
- Reduziertes Gesamtvolumen möglich
- Bei gleicher Wärmeleistung:
– Weniger Material für Rohre und Lamellen
– Geringerer Materialeinsatz im Endgerät
– Kompaktere Baugröße
Integration in bestehende Fertigung:
Die Umsetzung erfolgt mit dem gleichen Herstellungsverfahren wie bei konventionellen Lamellenrohr-Wärmetauschern.
➡️ Integration ohne zusätzliche Investitionskosten möglich.
➡️ Bestehende Produktionslinien können weiter genutzt werden.
Mehr Wärmeübertragung – ohne zusätzlichen Materialeinsatz, ohne größeres Bauvolumen und ohne Investitionsmehrkosten
Patent Lamellenversetzung:
https://youtu.be/RB2StIIEWR0
Zickzackform DE 10 2012 007 063
Die Effizienzsteigerung basiert auf einer Geometrieoptimierung und nicht auf größerem Bauvolumen oder höherem Volumenstrom.
Ergebnis & Mehrwert:
- Erhöhte Wärmeübertragung
- Erhöhung der Lamellenanzahl bei reduzierter Lamellenhöhe
- Bauvolumen wird nicht vergrößert
- Keine zusätzliche Materialanforderung bei Leistungssteigerung
- Bei gleicher Wärmeleistung:
– Reduzierter Materialeinsatz für Rohre und Lamellen
– Potenzial zur Volumenreduktion des Endgeräts
Integration in bestehende Fertigung:
Die Fertigung ist anspruchsvoller als bei der Lamellenversetzung.
Die Montage von Lamellen in geneigten bzw. nicht-parallel angeordneten Rohren erfordert eine angepasste Lösung.
Eine praktikable Option könnte beispielsweise die Entwicklung innovativer „Kragen“-Geometrien zur sicheren Positionierung der Lamellen darstellen.
➡️ Umsetzung technisch realisierbar
➡️ Zusätzliche Investitionen in Werkzeuge möglich
➡️ Potenzial für differenzierende Produktlinien
Mehr Wärmeleistung durch Strömungsoptimierung – mit zusätzlichem Investitionspotenzial
Patent Zickzackform:
https://youtu.be/7jbWcOGDT6A
Unser Erfinderteam
Hinter der patentierten Geometrieoptimierung steht ein interdisziplinäres Team mit wissenschaftlichem und industriellem Hintergrund in Thermodynamik, Strömungsmechanik und Wärmeübertragung.
Die entwickelten Konzepte basieren auf fundierter Forschung an der Technischen Universität Ilmenau sowie praktischer Erfahrung im industriellen Umfeld.
Für technische, strategische oder lizenzbezogene Anfragen stehen wir Ihnen gerne persönlich zur Verfügung.
Dr.-Ing. Diala Karmo
Dr.-Ing. Ayman Al Khateeb
Wir freuen uns über den Austausch mit OEMs, Wärmetauscher-Herstellern, Investoren und strategischen Partnern.
E-mail: info@innovative-heat-exchanger.de