DE10127084A1

DE10127084A1 - Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10127084A1
Application number: DE10127084A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Pantow; Arnoldt Rehm; Rainer Richter; Lubens Simon
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2000-06-17
Filing date: 2001-06-02
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2021-06-03
Also published as: US6892806B2; DE10127084B4; US7347254B2; US20010052411A1; US20050006074A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Vielzahl von Flachrohren (12), die von einem flüssigen Kühlmedium (13) durchströmbar sind, und diesen zugeordneten, von Umgebungsluft (15) oder anderen Medien beaufschlagbaren Wellrippen (14), wobei die Flachrohre (12) auf wenigstens einer ihrer Flachseiten (18, 20) nach innen gerichtete Einprägungen aufweisen. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen solchen Wärmeübertrager derart weiterzubilden, daß der Wärmeübergang zwischen der Kernströmung des Kühlmediums und den Flachrohrwandungen verbessert und damit die Leistungsdichte des Wärmeübertragers erhöht wird. Um diese Aufgabe zu lösen ist vorgesehen, daß die Einprägungen als längliche Wirbelerzeuger (22) mit einer Längsachse (17) ausgeführt sind, und daß das Verhältnis zwischen der Höhe (h) der Wirbelerzeuger (22) und der Höhe (H) der Flachrohre (12) etwa 0,05 bis 0,5 beträgt, daß die Längsachsen (17) der Wirbelerzeuger (22) gegenüber der Richtung der Rohrlängsachse (13) um etwa 10 DEG bis 40 DEG angestellt sind, und daß quer zur Rohrlängsachse (13) benachbarte Wirbelerzeuger (22) gegensinnig angestellt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahr zeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Wärmeübertrager ist aus der EP 0 030 072 B1 bekannt. Er be steht aus einer Vielzahl von Flachrohren, die von Kühlmittel durchströmbar sind, und diesen zugeordneten, von Umgebungsluft beaufschlagbaren Well rippen. Dabei weisen die Flachrohre auf ihren Flachseiten nach innen ge richtete Einprägungen von sehr geringer Einprägungshöhe auf die einer Erhöhung der Stabilität der Flachrohre dienen. Nachteilig an einem solchen Wärmeübertrager ist, daß das Kühlmittel innerhalb der Flachrohre eine hei ße Kernströmung bildet, die gegenüber der Flachrohrwandungen durch eine kühlere Wandströmung isoliert ist beziehungsweise in geringem Austausch steht, so daß der Wärmeübergang zwischen der Kernströmung und den Flachrohrwandungen gering ist.

Aus der DE 196 54 367 A1 ist es bekannt, ein rechteckförmiges Rohr für einen Abgaswärmeübertrager mit nach innen gerichteten länglichen Wirbe lerzeugern in Form von Winglets auszustatten. Dabei sind die jeweils paar weise V-förmig angeordneten Wirbelerzeuger mittels Massivumformung aus dem Rohr herausgeformt und in Abgashauptströmungsrichtung divergierend positioniert. Die Wirbelerzeuger dienen dazu, Ablagerungen auf den Rohr innenwandungen von in den Abgasen enthaltenen Feststoffen - wie bei spielsweise Ruß - zu vermindern. Es sind keine weiteren Angaben über die Bemessung der Wirbelerzeuger gemacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der ein gangs genannten Art derart weiterzubilden, daß der Wärmeübergang zwi schen der Kernströmung des Kühlmediums und den Flachrohrwandungen verbessert und damit die Leistungsdichte des Wärmeübertragers erhöht wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Einprägungen als längliche Wir belerzeuger mit einer Längsachse ausgeführt sind, und daß das Verhältnis zwischen der Höhe der Wirbelerzeuger und der Höhe der Flachrohre etwa 0,05 bis 0,5 beträgt, daß die Längsachsen der Wirbelerzeuger gegenüber der Rohrlängsachse um etwa 10° bis 40° angestellt sind, und daß quer zur Rohrlängsachse benachbarte Wirbelerzeuger gegensinnig angestellt sind. Durch die Wirbelerzeuger wird die Kühlmediumströmung turbulenter, so daß je nach Bemessung der Wirbelerzeuger entweder eine Wirbelbildung oder zumindest ein Aufbruch der Grenzschicht einen verbesserten Austausch zwischen den verschiedenen Kühlmediumschichten bewirkt.

In Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Anspruch 2 vorgesehen, daß das Verhältnis zwischen der Höhe der Wirbelerzeuger und der Höhe der Flach rohre etwa 0,05 bis 0,25 beträgt. Bei einer solchen Bemessung der Wirbe lerzeuger ist vornehmlich mit einem Aufbruch der Grenzschicht der Kühlme diumströmung zu rechnen, was einen verbesserten Austausch zwischen den verschiedenen Kühlmediumschichten bei vergleichsweise geringen Druck abfällen gewährleistet.

In Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, daß das Verhältnis zwischen der Höhe der Wirbelerzeuger und der Höhe der Flach rohre etwa 0,25 bis 0,5 beträgt. Bei einer solchen Bemessung der Wirbeler zeuger werden durch die Höhe und die längliche, gegenüber der Rohrlängs achse angestellte Gestaltung der Wirbelerzeuger gezielt Längswirbel er zeugt, die die Durchmischung der einzelnen Kühlmediumschichten nachhal tig verstärken, indem sie sich spiralförmig in Rohrlängsachsenrichtung be wegen und daher neben der Längsbewegung ebenfalls Querkomponenten aufweisen.

In Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Anspruch 4 und 5 vorgesehen, daß die Wirbelerzeuger in quer zur Rohrlängsachse verlaufenden, im we sentlichen geradlinigen Wirbelerzeugerreihen von wenigstens drei Wirbeler zeugern angeordnet sind, und daß mehrere Wirbelerzeugerreihen in Rich tung der Rohrlängsachse im wesentlichen geradlinig hintereinander ange ordnet sind. Durch diese Anordnung der Wirbelerzeuger in Form von gerad linigen Reihen können die Bereiche, in denen Längswirbel erzeugt werden, über die gesamte Tiefe und Breite des Flachrohres genau definiert sein, wo durch ein optimiertes Ineinandergreifen der Längswirbel für bestimmte Kühlmediumströmungsgeschwindigkeiten beziehungsweise Geschwindig keitsbereiche und dadurch eine Verstärkung der Durchmischung erreicht werden kann. Dabei hat sich gemäß Anspruch 6 und 7 ein Verhältnis zwi schen dem Abstand der Wirbelerzeugerreihen in Richtung der Rohrlängs achse und der Länge der Wirbelerzeuger von etwa 1 bis 10 sowie ein Ver hältnis zwischen dem Abstand der Wirbelerzeuger quer zur Richtung der Rohrlängsachse gegenüber der Länge der Wirbelerzeuger von etwa 0,1 bis 0,9, vorzugsweise 0,2 bis 0,8, als besonders vorteilhaft erwiesen. Unter der Länge der Wirbelerzeuger ist dabei die quer zur Rohrlängsachse projizierte Länge zu verstehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, daß die Wirbelerzeuger auf beiden Flachseiten der Flachrohre angeordnet werden können und die jeweiligen Wirbelerzeugerreihen der ersten Flach seite und der zweiten Flachseite in Richtung der Rohrlängsachse gegenein ander versetzt angeordnet werden können. Durch eine solche Anordnung der Wirbelerzeugerreihen auf beiden Flachrohrseiten und eine Versetzung dieser Wirbelerzeugerreihen gegeneinander kann die gegenseitige Beein flussung der Längswirbel und damit die Durchmischung der Kühlmedium schichten nochmals verbessert werden. Zudem wird die Qualität der Verlö tung zwischen den Flachrohren und den Wellrippen verbessert, da die Kon taktflächen und damit die Lötflächen vergrößert sind. Dabei hat sich gemäß Anspruch 9 ein Verhältnis zwischen dem Abstand der Wirbelerzeugerreihen zwischen der ersten Flachseite und der zweiten Flachseite in Richtung der Rohrlängsachse und der Höhe der Wirbelerzeuger von etwa 10 bis 30 als besonders vorteilhaft erwiesen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 10 vor gesehen, daß die in Längsrichtung benachbarten Wirbelerzeugerreihen um einen Winkel β von etwa 10° bis 30°, vorzugsweise 20° versetzt angeordnet sind. Der Vorteil einer derart versetzten Anordnung besteht darin, daß eine Vergleichmäßigung der Einprägungen in das Rohrbandmaterial bewirkt wird, was für die Fertigung von Vorteil ist und darin, daß der Rippe-Rohr Verbund, insbesondere die Verlötung gleichmäßiger wird, was sich sowohl auf die Fe stigkeit dieser Verbindung als auch durch eine Homogenisierung der Wär meströme auf die Wärmeübertragung positiv auswirken kann. Weitere Aus gestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine räumliche Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Rippen, Flachrohren und Rohr boden;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erste Flachseite vom Innern des Flachrohres gesehen;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zweite Flachseite vom Innern des Flachrohres gesehen;

Fig. 4 eine gegenüber den Fig. 2 und 3 vergrößert dargestellte Schnittdarstellung eines Teilbereiches des Flachrohres;

Fig. 5 und 6 Darstellungen wie Fig. 2 und 3 einer weiteren Ausfüh rungsform;

Fig. 7 und 8 Darstellungen wie Fig. 2 oder 3 von weiteren Ausfüh rungsformen;

Fig. 9 eine um weitere Angaben erweitere Darstellung der Fig. 7;

Fig. 10 Darstellung gemäß Fig. 9 mit abgewandelter Geometrie;

Fig. 11 Darstellung gemäß Fig. 9 mit abgewandelter Geometrie;

Fig. 12 Darstellung gemäß Fig. 9 mit abgewandelter Geometrie;

Fig. 13 Schnittdarstellung eines Flachrohres mit treppenförmig angeordneten Wirbelerzeuger;

Fig. 14 Schnittdarstellung eines Flachrohres mit treppenförmig angeordneten Wirbelerzeuger.

Fig. 1 zeigt eine räumliche Teilansicht eines Wärmeübertragers 10 für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, bestehend aus Flachrohren 12, die von einem flüssigen Kühlmedium 13 durchströmbar sind. Dieses Kühlmedium 13 führt Wärme von einem nicht dargestellten Antriebsaggregat zum Wärmeübertra ger 10, wobei der Wärmeübertrager 10 diese Wärme über Wellrippen 14 an Umgebungsluft 15 oder andere Medien abführt. Dabei sind die Wellrippen 14 jeweils zwischen den Flachrohren 12 angeordnet und die Flachrohre an ihren Enden jeweils durch einen Rohrboden 16 gehalten. Der Rohrboden 16 bildet wiederum einen Teil eines nicht dargestellten Sammelkastens, der über Schläuche mit der Brennkraftmaschine in Verbindung steht.

Die Flachrohre 12 des Wärmeübertragers 10 weisen eine relativ geringe Flachrohrinnenhöhe H, beispielsweise 1 mm, wie in Fig. 4 dargestellt, ge genüber einer relativ großen Tiefe t (Fig. 1) auf. Dabei besitzen sie auf ihren ersten Flachseiten 18 und zweiten Flachseiten 20 jeweils Wirbelerzeuger 22, die beispielsweise mittels Walzen in Richtung der Innenseite der Flach rohre 12 ausgeformt sind und eine geschlossene Oberfläche aufweisen. Die Wirbelerzeuger 22 besitzen, wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt, eine längli che Form und sind in quer zur Rohrlängsachse 13 ausgerichteten Wirbeler zeugerreihen 24 angeordnet. Mehrere solcher Wirbelerzeugerreihen 24 sind in Richtung der Rohrlängsachse 13 hintereinander angeordnet. Die Abstän de b der einzelnen Wirbelerzeuger 22 voneinander gegenüber der Länge L der Wirbelerzeuger, die beispielsweise 3 mm beträgt, liegt dabei etwa bei 0,7, wobei dieser Verhältniswert im Bereich von 0,1 bis 0,9 und vorzugswei se im Bereich von 0,2 bis 0,8 liegen kann. Die Breite der Wirbelerzeuger B beträgt vorzugsweise 1,3 mm. Die Abstände c der einzelnen Wirbelerzeu gerreihen 24 gegenüber der Länge L der Wirbelerzeuger beträgt etwa 4, wobei der Wert zwischen 1 und 10 liegen kann.

Die Wirbelerzeuger 22 sind jeweils um einen Winkel α = 20° gegenüber der Rohrlängsachse 13 geneigt, wobei dieser Winkel zwischen 10° und 40° lie gen kann. Jeweils quer zur Rohrlängsachse 13 benachbarte Wirbelerzeuger 22 sind gegensinnig geneigt. Somit sind jeweils zwei Wirbelerzeuger paar weise V-artig angeordnet, wobei die beiden V-Schenkel in Richtung der Rohrlängsachse 13 auseinander laufen. Die Wirbelerzeugerhöhe h beträgt etwa 1/3 der Flachrohrhöhe H, vorzugsweise 0,2 mm, wobei auch dieses Verhältnis zwischen 0,3 und 0,7 liegen kann, so daß die Summe der jeweili gen Wirbelerzeugerhöhe h der ersten Flachseiten 18 und der zweiten Flachseiten 20 größer sein kann als die Flachrohrhöhe H. Dieses wird da durch ermöglicht, daß die einzelnen Wirbelerzeugerreihen 24 bzw. 24' der ersten Flachseiten 18 und der zweiten Flachseiten 20 gegeneinander ver setzt angeordnet sind. Dabei liegt das Verhältnis zwischen dem Abstand a der Wirbelerzeugerreihen 24 der beiden Flachseiten 18 und 20 und der Wirbelerzeugerhöhe h etwa zwischen 10 und 30.

In einer in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weisen die Wirbelerzeugerreihen 24 Lücken auf, so daß beispielsweise je weils Paare von Wirbelerzeugern 22 einer Reihe 24 größere Abstände auf weisen, als die beiden Wirbelerzeuger eines Paares. Benachbarte Wirbeler zeugerreihen 24 sind in dieser Ausführungsform auf Lücke versetzt ange ordnet.

In einer in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann vor gesehen sein, daß sich die Wirbelerzeugerreihen 24 zwar quer zur Rohr längsrichtung aber nicht senkrecht dazu erstrecken, wobei die einzelnen Wirbelerzeugerreihen 24 parallel zueinander verlaufen. Dadurch sind die Kontaktstellen der Wellrippen 14 mit Zonen hohen Wärmeübergangs gleichmäßiger verteilt und nicht, wie bei einer senkrechten Anordnung (Fig. 2 und 3) auf einzelne Rippen beschränkt.

In einer weiteren in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Anstellwinkel des äußersten Wirbelerzeugers 22' er höht ist, wodurch die Durchmischung im Bereich der Schmalseite des Flach rohres 12, in dem keine Wirbelerzeuger angeordnet werden können, ver bessert ist.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform entsprechend der aus Fig. 7, wobei die in Längsrichtung benachbarten Wirbelerzeugerreihen um einen Winkel β von 20° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Der Abstand C' der Wirbeler zeugerreihen untereinander beträgt dabei vorzugsweise 6 mm. Alternativ kann gemäß Fig. 10 auch eine Geometrie verwandt werden, in der die Wir belerzeuger 22 durch zwischen diesen angeordneten Wirbelerzeugern 22' ergänzt sind. Außerdem ist auch eine geometrische Aufteilung der Wirbeler zeuger gemäß Fig. 11 möglich, wobei die im Außenbereich gelegenen Wir belerzeuger 22" gegenüber den Wirbelerzeugern 22 versetzt angeordnet sind.

Selbstverständlich sind auch Kombinationen der verschiedenen Ausfüh rungsformen denkbar. Dabei können die auf das Rohr bezogenen Werte auf eine Seite eines durch eine Längssicke getrennten Sickenrohres bezogen sein.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, in der die Höhe der Wirbelerzeuger h untereinander variiert ist, so daß sich eine zum Rohrinnern gesehen aufstei gende Treppenform ergibt, durch die die Leistungsdichte im mittleren Be reich nochmals erhöht wird, wobei sich die Höhe der Wirbelerzeuger insge samt im Bereich von 10% bis 80% der halben Höhe (H) der Flachrohre er streckt. Alternativ ist eine in Fig. 14 dargestellte zum Rohrinnern gesehen absteigende Treppenform möglich.

Claims

1. Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Vielzahl von Flachrohren (12), die von einem flüssigen Kühlmedium durchström bar sind, und diesen zugeordneten, von Umgebungsluft (15) oder ande ren Medien beaufschlagbaren Wellrippen (14), wobei die Flachrohre (12) auf wenigstens einer ihrer Flachseiten (18, 20) nach innen gerichtete Einprägungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einprägun gen als längliche Wirbelerzeuger (22) mit einer Längsachse (17) ausge führt sind, und
daß das Verhältnis zwischen der Höhe (h) der Wirbelerzeuger (22) und der Höhe (H) der Flachrohre (12) etwa 0,05 bis 0,5 beträgt,
daß die Längsachsen (17) der Wirbelerzeuger (22) gegenüber der Rohrlängsachse (13) um etwa 10° bis 40° angestellt sind und
daß quer zur Rohrlängsachse (13) benachbarte Wirbelerzeuger (22) gegensinnig angestellt sind.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Höhe (h) der Wirbelerzeuger (22) und der Höhe (H) der Flachrohre (12) etwa 0,05 bis 0,25 beträgt.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Höhe (h) der Wirbelerzeuger (22) und der Höhe (H) der Flachrohre (12) etwa 0,25 bis 0,5 beträgt.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelerzeuger (22) in quer zur Rohrlängsachse (13) verlaufenden, im wesentlichen geradlinigen Wirbelerzeugerreihen (24) von wenigstens drei Wirbelerzeugern (22) angeordnet sind.

5. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wirbelerzeugerreihen (24) in Richtung der Rohrlängsachse (13) im wesentlichen geradlinig hintereinander an geordnet sind.

6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Abstand (c) der Wir belerzeugerreihen (24) in Richtung der Rohrlängsachse (13) und der Länge (L) der Wirbelerzeuger (22) etwa 1 bis 10 beträgt.

7. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Abstand (b) der Wir belerzeuger (22) quer zur Rohrlängsachse (13) gegenüber der Länge (L) der Wirbelerzeuger (22) etwa 0,1 bis 0,9, vorzugsweise 0,2 bis 0,8, be trägt.

8. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelerzeuger (22) auf beiden Flachseiten (18, 20) der Flachrohre (12) angeordnet sind und die jeweiligen Wirbe lerzeugerreihen (24) der ersten Flachseite (18) und der zweiten Flach seite (20) in Richtung der Rohrlängsachse (13) gegeneinander versetzt angeordnet sind.

9. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Abstand (a) der Wirbelerzeugerreihen (24) zwi schen der ersten Flachseite (18) und der zweiten Flachseite (20) in Richtung der Rohrlängsachse (13) und der Höhe (h) der Wirbelerzeuger (22) etwa 10 bis 30 beträgt.

10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die in Längsrichtung benachbarten Wirbelerzeuger reihen um einen Winkel β von etwa 10° bis 30°, vorzugsweise 20° ver setzt angeordnet sind.

11. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre als Sickenrohre mit einer parallel zur Rohrlängsachse verlaufenden Sicke ausgeführt sind.

12. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Wirbelerzeuger 10% bis 80% der halben Höhe (H) der Flachrohre beträgt.