DE102005042314A1

DE102005042314A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102005042314A1
Application number: DE102005042314A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.-Ing. Knaus; Jens Dipl.-Ing. Supper
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2007-03-08
Also published as: US20080245502A1; EP1926963A1; WO2007028465A1; JP2009507162A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Einlass (2) und einem Auslass für das zu kühlende oder zu erwärmende Medium und/oder das kühlende oder erwärmende Medium, wobei der Einlass (2) derart ausgebildet ist, dass dem strömenden Medium eine Bewegungskomponente in tangentialer Richtung bezüglich der vorherigen normalen Bewegungsrichtung und/oder der direkt an den Einlass anschließenden Hauptbewegungsrichtung bei Eintritt in den Wärmetauscher (1) auferlegt wird. Bevorzugt ist hierbei im Einlass (2) ein Drallkörper (5) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaskühler eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Verringerung der Partikel- und Stickoxidemission bei Dieselmotoren ist die Rückführung von Abgas bekannt, wobei sowohl eine Hochdruck-Abgasrückführung als auch eine Niederdruck-Abgasrückführung möglich ist. Dabei wird der Abgasstrom auf Temperaturen von ca. 150°C bis 200°C abgekühlt und der Ansaugluft zugemischt. Als Kühlmedium im Abgaskühler wird bei diesen Temperaturen der gekühlten Ansaugluft in der Regel ein Teilstrom des Motor-Kühlmittels verwendet. Die Abgasrückführung ist hierbei um so wirkungsvoller, je niedriger die Gasaustrittstemperaturen am Abgaskühler sind. Entsprechendes gilt auch für andere Kühler, wie auch für Wärmetauscher allgemein.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere bevorzugt ein Abgaskühler oder Ladeluftkühler, vorgesehen, mit mindestens einem Einlass und einem Auslass für das zu kühlende oder zu erwärmende Medium und/oder das kühlende oder erwärmende Medium, wobei der Einlass derart ausgebildet ist, dass dem strömenden Medium eine Bewegungskomponente in tangentialer Richtung bezüglich der vorherigen normalen Bewegungsrichtung und/oder der direkt an den Einlass anschließenden Hauptbewegungsrichtung bei Eintritt in den Wärmetauscher auferlegt wird, bevorzugt bevor das zu kühlende oder zu erwärmende Medium in den Wärmetauscher, insbesondere einen Eintrittsdiffusor oder -kasten, eintritt. Durch die tangentiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit verbessert sich der Strömungsverlauf bei Eintritt in den Wärmetauscher dadurch, dass sich die Strömung insbesondere bei sich änderndem Strömungsquerschnitt weniger von der Wand ablöst und sich so gleichmäßiger auf den gesamten Querschnitt verteilt. Insbesondere die Spitzenströmungsgeschwindigkeiten in der Mitte, die üblicherweise auftreten, können so verringert werden. Zudem werden die Strömungsgeschwindigkeiten in den äußeren Bereichen etwas erhöht.

Der Einfluss derartiger Maßnahmen auf die gesamte Durchflussmenge, die in Abhängigkeit mit dem Druckverlust steht, ist unter Umständen positiv, da durch die bessere Gleichverteilung in den Strömungskanälen des Wärmetauschers die Druckverluste durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Einlasses gegebenenfalls mehr als kompensiert werden. Durch eine bessere Gleichverteilung der Strömung wird darüberhinaus unter Umständen eine gleichmäßigere Bauteiltemperatur erreicht, was zu einer Reduzierung von thermisch bedingten mechanischen Spannungen beiträgt.

Bevorzugt ist in Bereich des Einlasses ein Diffusor vorgesehen oder ausgebildet, welcher den Strömungsverlauf im Einlassbereich weiter verbessert.

Im Einlass ist vorzugsweise eine Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung, insbesondere ein Diffusor mit Drallkörper, vorgesehen. Die Strömung in der Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung erhält vorzugsweise eine tangentiale Komponente, wobei die tangentiale Komponente am Außenumfang bevorzugt größer als in der Mitte ist.

Vorzugsweise weist der Drallkörper sich wiederholende, in Umgangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete, als Leitelemente dienende Abschnitte auf, die im Anströmbereich in Strömungsrichtung verlaufend ausgebildet und im Abströmbereich schräg zur Strömungsrichtung im Anströmbereich verlaufend ausgebildet sind. Hierbei sind vorzugsweise zwei bis acht, insbesondere drei bis fünf, besonders bevorzugt vier, derartige Abschnitte vorgesehen.

Die Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung beziehungsweise der Drallkörper besteht vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Edelstahl. Hierbei handelt es sich bevorzugt um das gleiche Material, wie auch für den Wärmetauscher verwendet wird. Dabei erfolgt bevorzugt ein Verlöten oder Verschweißen der Anordnung mit dem Einlass bzw. des Drallkörpers in den Einlass. Dies kann in einem Arbeitsgang mit dem Verlöten des Wärmetauschers erfolgen, so dass sich die Herstellungskosten, insbesondere in Hinblick auf den Zeitaufwand und die erforderliche Energie, reduzieren lassen. Durch die Verwendung des gleichen Materials lassen sich zudem unterschiedliche Wärmeausdehnungen vermeiden, so dass die Belastungen der Lötverbindungen verringert werden kann und die Sicherheit wie auch die Lebensdauer erhöht wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind ein oder mehrere Bauteile des Wärmetauschers aus Guß gebildet und ein Drallkörper direkt eingegossen. Alternativ ist ein Drallkörper durch Ausstanzen aus einem Blech- oder Gußbauteil gebildet.

Alternativ zum Vorsehen eines Drallkörpers kann die Anströmung im Bereich des Einlasses in einen Strömungskanal des Einlassbereichs in tangentialer Richtung erfolgen. Hierbei kann es sich beim Strömungskanal sowohl um ein einfaches Rohr als auch um einen Diffusor handeln. Bevorzugt wird neben der Tangentialkomponente eine Komponente in Richtung der Längsachse des Strömungskanals vorgesehen, um die Geschwindigkeitsverteilung weiter zu optimieren.

Im Folgenden wird ein Wärmetauscher anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Abgaskühlers,
2a ein Diagramm zur Verdeutlichung der Geschwindigkeitsverteilung der Kühlmittelströmung in den einzelnen Kanälen bei einem herkömmlichen Abgaskühler, wobei die Abweichung der Massenstromverteilung von der Gleichverteilung in % dargestellt ist,
2b ein Diagramm zur Verdeutlichung der Geschwindigkeitsverteilung der Kühlmittelströmung in den einzelnen Kanälen bei einem Abgaskühler mit einem Drallkörper im Einlass, wobei die Abweichung der Massenstromverteilung von der Gleichverteilung in % dargestellt ist,
3 eine perspektivische Darstellung einer Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung,
4 eine perspektivische Ansicht des Drallkörpers von 3,
5 eine Draufsicht auf die Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung von 3,
6 eine schematische Ansicht des tangentialen Einströmens in einen Diffusor, und
7 eine Seitenansicht von 6.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher 1 vorgesehen, gebildet durch einen Abgaskühler, wie er für die Kühlung von rückgeführtem Abgas eines Turboladers verwendet wird. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des für die Abgaskühlung verwendeten Motor-Kühlmittels zu ermöglichen, ist am Einlass 2, in 1 schematisch durch den kreisförmigen, gepunkteten Bereich vor den geschnitten dargestellten Kühlmittelkanälen dargestellt, des Abgaskühlers eine Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung 3 vorgesehen, wie in den 3 bis 5 im Detail dargestellt.
Die Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung 3 besteht, wie auch der Abgaskühler, aus Edelstahl und ist mit dem Abgaskühler im Bereich der Eintrittsöffnung für das Kühlmittel verlötet, was im gleichen Arbeitsschritt wie das Verlöten beziehungsweise Verschweißen der den Abgaskühler bildenden Einzelteile erfolgt.
Die Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung 3 ist als Diffusor 4 mit einem Drallkörper 5 ausgebildet, wobei sich der Querschnitt des Diffusors 4 in Strömungsrichtung leicht erweitert. Im Inneren des Diffusors 4 ist der Drallkörper 5 vorgesehen, bestehend aus vier Leitelementen 6, die außenseitig vorliegend einstückig mit dem Diffusor 4 und in der Mitte miteinander entlang der Längsachse des Diffusors 4 verbunden sind. Die vier Leitelemente 6 sind jeweils gleich ausgebildet und gleichmäßig über den Umfang des Diffusors 4 verteilt. Jedes Leitelement 6 weist einen Anströmbereich 7 auf, welcher sich parallel zur normalen Strömungsrichtung erstreckt, die parallel zur Längsachse des Diffusors 4 verläuft. Nach dem relativ kurzen Anströmbereich 7, der anströmseitig abgerundet ausgebildet ist und in welchem jedes Leitelement 6 radial von der Mitte des Diffusors 4 bis zum Diffusor 4 verläuft, ist das Leitelement 6 gebogen ausgebildet. Die Biegung des Leitelements 6 beginnt vorliegend in einem Bereich, in welchem sich auch der Durchmesser des Diffusors 4 erweitert, so dass neben oder in Folge der tangentialen Geschwindigkeitskomponente auch eine radiale Geschwindigkeitskomponente der Strömung auferlegt wird, wodurch sich das Kühlmittel besser auf den nachfolgenden Querschnitt verteilt. Vom Anströmbereich 7 bis zum Abströmbereich 8 verläuft jedes Leitelement 6 radial von der Mitte des Diffusors 4 bis zum Diffusor 4 (vgl. 4).
Durch das Vorsehen der Strömungskanal-Drallkörper-Anordnungs 3 ergibt sich eine Strömung, die sich auch – an den Wandflächen im Wesentlichen anliegend – nach außen ausbreitet und sich somit auf einen größeren Querschnitt relativ gleichmäßig verteilt. Insbesondere werden durch die gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Querschnitt die üblicherweise auftretenden Spitzenströmungsgeschwindigkeiten in der Mitte deutlich verringert, wobei insgesamt die Durchflussmenge an Kühlmittel etwa gleich ist.
Die deutlich verbesserte Verteilung des Kühlmittels ist bei einem Vergleich der in den 2a und 2b dargestellten Diagramme ersichtlich. Hierbei erfolgt mit Hilfe der Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung 3 eine deutliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeiten im mittleren Bereich und eine entsprechende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten im äußeren Bereich, so dass sich insgesamt eine viel gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung ergibt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Abgaskühlers deutlich erhöhen lässt.
In den 6 und 7 ist schematisch eine Variante zum Vorsehen einer Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung dargestellt, welche bei entsprechender Ausgestaltung des Einlassbereichs annähernd zu einer entsprechenden Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsverteilung führen kann. Hierbei ist der Einlass 2 in den Wärmetauscher 1 derart seitlich an einem Ende eines Strömungskanals 9 (hier als Rohr mit größerem Querschnitt als die Zuleitung dargestellt, wobei es sich jedoch auch um einen Diffusor handeln kann) angeordnet, dass das einströmende Medium automatisch mit einer Tangentialkomponente beaufschlagt wird und sich der nachfolgende Strömungsverlauf schraubenartig oder schraubenartig erweiternd ausbildet, so dass bei Austritt aus dem Strömungskanal eine Strömung vorliegt, die sich auch – an den Wandflächen im Wesentlichen anliegend – nach außen ausbreitet und sich somit auf einen größeren Querschnitt relativ gleichmäßig verteilt.
Alternativ kann neben der Tangentialkomponente durch entsprechende Anordnung des Einlasses gleichzeitig auch eine Komponente in Richtung des nachfolgenden Strömungskanals vorgesehen sein.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Einlass (2) und einem Auslass für das zu kühlende oder erwärmende Medium und/oder das kühlende oder zu erwärmende Medium, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) derart ausgebildet ist, dass dem strömenden Medium eine Bewegungskomponente in tangentialer Richtung bezüglich der vorherigen normalen Bewegungsrichtung und/oder der direkt an den Einlass anschließenden Hauptbewegungsrichtung bei Eintritt in den Wärmetauscher (1) auferlegt wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereich des Einlasses (2) ein Diffusor (4) vorgesehen oder ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlass (2) eine Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung (3), insbesondere ein Diffusor (4) mit Drallkörper (5), vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung in der Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung (3) eine tangentiale Komponente erhält, wobei die tangentiale Komponente am Außenumfang größer als in der Mitte ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper (5) sich wiederholende in Umgangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete, als Leitelemente (6) dienende Abschnitte aufweist, die im Anströmbereich (7) in Strömungsrichtung verlaufend ausgebildet und im Abströmbereich (8) schräg zur Strömungsrichtung im Anströmbereich (7) verlaufend ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bis acht, insbesondere drei bis fünf, derartige Abschnitte vorgesehen sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung (3) oder der Drallkörper (5) aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Edelstahl gefertigt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanal-Drallkörper-Anordnung (3) oder der Drallkörper (5) mit dem Wärmetauscher (1) verlötet und/oder verschweißt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmung im Bereich des Einlasses (2) in einen Strömungskanal (9) des Einlassbereichs des Wärmetauschers (1) in tangentialer Richtung bezüglich des Strömungskanals (9) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmung im Bereich des Einlasses (2) in einen Strömungskanal (9) des Einlassbereichs in tangentialer Richtung zusätzlich mit einer Komponente in Richtung der Längsachse des Strömungskanals (9) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ein Abgaskühler ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ein Ladeluftkühler ist.