DE102005042315A1

DE102005042315A1 - Kühlmittelkühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005042315A1
Application number: DE200510042315
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Dr.-Ing. Haßdenteufel; Markus Dipl.-Ing. Höglinger (FH); Eberhard Dr. Dr.-Ing. Pantow; Michael Dipl.-Ing. Spieth (Ba)
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2007-03-08
Also published as: WO2007028463A1; EP1926964A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Wasserkasten (2), der aufweist: mindestens einen Eintrittsstutzen (4), durch welchen Kühlmittel in den Wasserkasten (2) gelangt, und eine Mehrzahl von Rohren (3), die mit dem Wasserkasten (2) über einen Rohrboden verbunden sind, durch welche das Kühlmittel in einen Wärmeübertragungsbereich gelangt, wobei im Eintrittsstutzen (4) und/oder im Wasserkasten (2) mindestens ein Einsatz (10; 20; 30; 40; 50) vorgesehen ist, welcher den Kühlmittelstrom derart verändert, dass die Kühlmittelverteilung auf die Rohre (3) im Vergleich zu einem baugleichen Kühlmittelkühler ohne Einsatz gleichmäßiger ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Kühlmittelkühlern für Kraftfahrzeuge, über welche die Abwärme des Kraftfahrzeugmotors an die Umgebung abgegeben wird, treten auf Grund ungleichmäßiger Temperaturverteilungen beim Durchströmen des Kühlerblocks Spannungen zwischen den Rohren und Rohrböden auf. Zum Schutz der Verbindung zwischen den Rohren, insbesondere den äußeren Rohren, und den Rohrböden sind (mechanische) Maßnahmen bekannt, um die Dichtheit der Verbindungen trotz der Schwellbelastungen zu gewährleisten. Diese sind jedoch teilweise recht aufwändig, so dass derartige Kühlmittelkühler noch Wünsche offen lassen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kühlmittelkühler zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kühlmittelkühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Kühlmittelkühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Wasserkasten vorgesehen, der aufweist: mindestens einen Eintrittsstutzen, durch welchen Kühlmittel in den Wasserkasten gelangt, und eine Mehrzahl von Rohren, die mit dem Wasserkasten über einen Rohrboden verbunden sind, durch welche das Kühlmittel in einen Wärmeübertragungsbereich gelangt, wobei im Eintrittsstutzen und/oder im Wasserkasten mindestens ein Einsatz vorgesehen ist, welcher den Kühlmittelstrom derart verändert, dass die Kühlmittelverteilung auf die Rohre im Vergleich zu einem baugleichen Kühlmittelkühler ohne Einsatz gleichmäßiger ist. Das Vorsehen des Einsatzes ermöglicht eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die Rohre, insbesondere bevorzugt gebildet durch Flachrohre, d.h. der Durchfluss des maximal durchströmten Rohres ist kleiner und der Durchfluss des minimal durchströmten Rohres ist größer als beim entsprechenden Kühlmittelkühler ohne Einsatz, und somit eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung im Bereich der Flachrohre. Dies ist insbesondere bei schnellen Änderungen der Eintrittstemperatur hilfreich, bspw. beim Öffnen des Thermostats, insbesondere bei schnell getakteten Kennfeldthermostaten, die geringe Mengen Kühlmittel durch den Kühlmittelkühler strömen lassen, so dass auch in diesen Fällen die Rohre gleichmäßig mit Kühlmittel beaufschlagt und somit gleichmäßig erwärmt werden. In Folge der gleichmäßigen Erwärmung können unterschiedliche Wärmedehnungen vermieden werden, so dass keine extremen Spannungsspitzen auftreten, wie bei herkömmlichen Kühlmittelkühlern.

Bevorzugt ist mindestens ein Bereich des Einsatzes im Kühlmitteleintrittsstutzen angeordnet (Stutzeneinsatz). Dabei kann es sich sowohl um einen Bereich für die Befestigung des Einsatzes als auch um einen direkt das Strömungsbild beeinflussenden Bereich handeln.

Der Einsatz weist vorzugsweise zumindest im in den Kühlmitteleintrittsstutzen ragenden Bereich eine der Innenkontur des Kühlmitteleintrittsstutzens entsprechende Außenkontur auf. Dies ermöglicht ein einfaches Einstecken im Rahmen der Montage. Alternativ kann – insbesondere bei spritzgegossenen Wasserkästen – der Einsatz im Rahmen der Herstellung des Wasserkastens aus dem gleichen Material oder ggf. auch aus einem anderen Material mitgespritzt werden, oder der Einsatz kann in die Form eingelegt und vom Material des Wasserkastens umspritzt werden. Besteht der Wasserkasten aus Aluminium, so wird der Einsatz vorzugsweise als Blechteil oder Gussteil ausgebildet und mitgelötet oder in den fertigen Kühlmittelkühler eingesetzt.

Im Einsatz können vorteilhafterweise Einbauten vorgesehen sein, welche den Kühlmittelstrom in Teilströme unterteilen. Dies kann bspw. mittels mindestens einer Trennwand, vorzugsweise mittels mehrerer Trennwände, insbesondere mittels drei oder vier punktsymmetrisch ausgebildeter Trennwände und/oder mittels eines Gleichrichtereinsatzes, der mit einer bspw. hexagonalen oder mit einer beliebigen anderen, gitterartigen Struktur ausgebildet ist, erfolgen. Dabei kann – je nach Bedarf – dem Kühlmittelstrom ein Drall genommen oder gezielt ein Drall auferlegt werden. Zudem kann der Kühlmittelstrom gleichgerichtet und vergleichmäßigt werden, was insbesondere durch einen engmaschigen Gleichrichtereinsatz erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Einsatz am Stutzen angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Einsatz in einer insbesondere als Schlauch ausgebildeten Zuführungsleitung zum Kühlmittelkühler oder in einem Kupplungsstück zwischen dem Stutzen und einer solchen Zuführungsleitung angeordnet und/oder eingebaut.

Vorteilhafterweise erstreckt sich der Einsatz zumindest teilweise ins Innere des Wasserkastens. Dabei kann der Einsatz an seinem in den Wasserkasten ragenden Ende verschlossen ausgebildet sein, bspw. durch einen Boden oder einen Stopfen. In diesem Fall weist der Einsatz vorzugsweise mindes tens eine, vorzugsweise genau eine, in seiner, insbesondere in Verlängerung des Kühlmitteleintrittsstutzens verlaufenden Wand angeordnete Öffnung auf. Diese kann blendenartig ausgebildet sein.

Zumindest eine der Öffnungen öffnet sich vorzugsweise in einer Richtung weg vom Rohrboden, so dass das Kühlmittel nicht direkt zur nächstliegenden Rohröffnung strömen kann.

Ebenfalls kann der Einsatz durch ein endseitig verschlossenes oder offenes Lochblech gebildet sein, so dass ein gleichmäßiges Ausströmen des Kühlmittels über den gesamten Umfang erfolgt, wodurch auch das Strömungsbild im Wasserkasten gleichmäßiger wird. Es ist dabei eine gleichmäßige oder eine gezielt ungleichmäßige Perforation des Lochblechs möglich.

Der Einsatz kann sich vorzugsweise auch über die gesamte Tiefe und/oder die gesamte Höhe des Wasserkastens erstrecken (Wasserkasteneinsatz). Derartige Einbauten im Wasserkasten ermöglichen eine besonders gezielte Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Rohre, so dass gezielt mehr Kühlmittel in die ansonsten benachteiligten Rohre geleitet werden kann.

In manchen Fällen kann eine schräge Anordnung des Kühlmitteleintrittsstutzens bezüglich der Außenfläche des Wasserkastens vorteilhaft sein, um eine gleichmäßigere Kühlmittelverteilung auf die Rohre zu erhalten.

Die Rohre weisen vorzugsweise über die gesamte Höhe des Kühlmittelkühlers einen konstanten freien Strömungsquerschnitt auf, d.h. für ein gleichmäßigeres Durchströmen der Rohre sind keine den Kühlmittelkühler in seiner wesentlichen Struktur verändernde Maßnahmen erforderlich, wie bspw. die Verengung der freien Strömungsquerschnitte der mittleren Rohre.

Der Rohrboden, in welchen die Rohre ragen, besteht bevorzugt aus einem Metall oder einer Legierung, insbesondere bevorzugt sind die Rohre mit dem Rohrboden verlötet.

Der Wasserkasten besteht vorzugsweise aus Kunststoff, wobei er bevorzugt als Spritzgussteil ausgebildet ist. Es sind auch Aluminium oder andere geeignete Materialien möglich.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, teilweise mit Varianten, unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen Einsatz gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
2 einen Einsatz gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 einen Einsatz gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
4 einen Einsatz gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
5 eine Draufsicht auf einen Einsatz gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
6 eine perspektivische Ansicht des Einsatzes von 5,
7 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkühlers zur Verdeutlichung einer ersten Anordnungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Einsatzes,
8 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkühlers zur Verdeutlichung einer zweiten Anordnungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Einsatzes,
9 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkühlers zur Verdeutlichung einer dritten Anordnungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Einsatzes,
10 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkühlers zur Verdeutlichung einer vierten Anordnungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Einsatzes, und
11 eine perspektivische Ansicht eines Kühlmittelkühlers gemäß dem Stand der Technik und eines Kühlmittelkühlers mit einem erfindungsgemäßen Einsatz mit für einzelne Flachrohre schematisch angedeuteten Strömungsgeschwindigkeiten.
Ein im Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordneter, als Querstromkühler ausgebildeter Kühlmittelkühler 1 weist zwei Wasserkästen 2 mit Rohrböden, eine Mehrzahl die Wasserkästen 2 verbindende Flachrohre 3, welche mit ihren Enden in die Rohrböden geführt sind, und dazwischen angeordnete Wellrippen auf, wobei die Flachrohre 3 in Verbindung mit den Wellrippen das Kühlernetz bilden.
Bei nicht gezeigten Ausführungsbeispielen ist ein Kühlmittelkühler als Fallstromkühler ausgebildet und/oder weist nur einen Wasserkasten mit einem Einlass und einem Auslass und dazwischen angeordneter Trennwand auf, wobei das Kühlmittel dann auf der gegenüberliegenden Seite umgelenkt wird (sogenannter U-Flow).
Bei den beiden Wasserkästen 2 handelt es sich vorliegend um Kunststoffspritzgussteile, während es sich bei den Rohrböden vorliegend um metallische Rohrböden handelt, die mechanisch mit den Wasserkästen 2 und mittels einer Lötverbindung mit den Flachrohren 3 auf bekannte Weise verbunden sind.
An beiden Wasserkästen 2 ist ein Kühlmitteleintrittsstutzen 4 bzw. ein Kühlmittelaustrittsstutzen 5 vorgesehen. Der Kühlmittelkühler 1, welcher der Abgabe der Abwärme des Kraftfahrzeugmotors an die Umgebung dient, ist Teil eines herkömmlichen Kühlmittelkreislaufs des Verbrennungsmotors, an welchen er über die beiden Stutzen 4 und 5 angeschlossen ist.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des einströmenden Kühlmittels zu ermöglichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils ein Einsatz vorgesehen, welcher gezielt das Strömungsbild des Kühlmittels im Wasserkasten 2 verändern und dadurch die Kühlmittelverteilung auf die Flachrohre 3 optimiert, so dass die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten in den mittleren Flachrohren 3 verringert und insbesondere die Strömungsgeschwindigkeiten in den äußeren Flachrohren 3 erhöht wird.
Für eine Vergleichmäßigung des Kühlmittel-Strömungsbildes ist gemäß dem ersten, in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel direkt am wasserkastenseitigen Ende des Kühlmitteleintrittstutzens 4 ein teilweise, vorliegend zur Hälfte seiner Gesamtlänge, in den Wasserkasten 2 ragender Einsatz 10 vorgesehen, der eine zylinderförmige Gestalt aufweist, wobei das austrittsseitige Ende 11 verschlossen und im in den Wasserkasten 2 ragenden Bereich 12 eine Vielzahl von Öffnungen 13, vorliegend Bohrungen, vorgesehen ist. Durch das Verschließen des geraden Ausflusses und das Aufteilen des Kühlmittelstroms wird das Strömungsbild im Wasserkasten vergleichmäßigt, so dass die Kühlmittelverteilung auf die Flachrohre 3 ebenfalls vergleichmäßigt wird, d.h. Strömungsgeschwindigkeitsspitzen werden verringert und ins besondere Strömungsgeschwindigkeitsminima an den äußeren Flachrohren 3 werden erhöht.
Gemäß dem zweiten, in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist am wasserkastenseitigen Ende des Kühlmittelstutzens 4 wiederum ein teilweise, vorliegend zur Hälfte seiner Gesamtlänge, in den Wasserkasten 2 ragender Einsatz 20 vorgesehen, der eine zylinderförmige Gestalt aufweist, wobei das austrittsseitige Ende 21 des in den Wasserkasten 2 ragenden Bereichs 22 verschlossen ist. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist jedoch an Stelle der Vielzahl von über den gesamten Umfang verteilter Öffnungen 13 eine einzige, vorliegend eine etwa rechteckförmige und sich über etwa die Hälfte des Umfangs erstreckende Öffnung 23 auf der entgegengesetzt zu den Flachrohren 3 angeordneten Seite vorgesehen, so dass sich der Kühlmittelstrom aufteilt, wodurch auch eine gewisse Vergleichmäßigung des Strömungsbildes im Wasserkasten und somit eine gleichmäßigere Verteilung auf die Flachrohre 3 ergibt.
Gemäß einer nicht in der Zeichnung dargestellten Variante ist parallel zur Längsachse des Einsatzes ein nach innen hin keilförmig zulaufender Steg mittig im Bereich der Öffnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, welcher die Aufteilung des Kühlmittels in zwei Kühlmittelströme unterstützt.
Gemäß einer weiteren Variante, die nicht in der Zeichnung dargestellt ist, kann im Boden gemäß den ersten beiden Ausführungsbeispielen mindestens eine weitere Öffnung vorgesehen sein, welche zu einem gleichmäßigeren Strömungsbild im Wasserkasten 2 führen kann.
3 zeigt einen Einsatz 30 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, welcher im Falle einer drallbelasteten Strömung verwendet werden kann, um den Drall zu verringern oder ganz zu beseitigen. Dieser Einsatz 30 kann im Eintrittsstutzen 4 angeordnet sein, kann alternativ auch etwas in den Wasserkasten 2 hineinragen und/oder kann mit den Einsätzen 10 oder 20 der ersten beiden Ausführungsbeispiele kombiniert werden, so dass zuerst die Strömung vom Drall befreit und anschließend eine gleichmäßigere Verteilung erfolgt. Der Einsatz 30 weist vorliegend eine beidseitig offene hohlzylindrische Gestalt mit vier in radialer Richtung verlaufenden, im Einströmbereich in Richtung der Längsachse verlaufenden, im Ausströmbereich um 45° hierzu gedreht verlaufende Trennwände 31 auf.
In manchen Fällen, wie gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, kann es jedoch auch hilfreich sein, dem in den Wasserkasten 2 eintretenden Kühlmittelstrom einen Drall aufzuerlegen, so dass gezielt die Strömung "verwirbelt" wird, so dass beispielsweise die nächstliegenden Flachrohre 3 nur von einem kleineren Kühlmittelstrom durchströmt werden als ohne den Einsatz 40. Hierfür kann der gleiche Einsatz wie beim zuvor beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel verwendet werden.
Unterstützend für ein gleichmäßigeres Strömungsbild im Wasserkasten kann in diesem, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, eine schräge Anordnung des Kühlmitteleintrittsstutzens 4 in Verbindung mit dem jeweiligen Einsatz wirken.
Gemäß dem fünften, in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Einsatz 50 eine hohlzylindrische, endseitig offene Außenform und im Inneren einen Gleichrichtereinsatz 51 mit vorliegend in Längsrichtung durchgängiger, hexagonaler Struktur auf. Dieser Einsatz 50 ermöglicht eine Gleichrichtung der Strömung, so dass ein Drall oder eine ungleichmäßige Kühlmittelströmung gleichgerichtet wird.
In den 7 bis 10 sind verschiedene Anordnungsbereiche für erfindungsgemäße Einsätze, angedeutet durch den diagonal gepunkteten Be reich, schematisch dargestellt. Insbesondere die Einsätze 30, 40, 50 gemäß dem dritten bis fünften Ausführungsbeispiel werden vollständig in den Kühlmitteleintrittsstutzen 4 eingeführt, wie in 7 angedeutet.
Die Einsätze 10, 20 gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, jedoch gegebenenfalls auch die Einsätze 30, 40, 50 gemäß dem dritten bis fünften Ausführungsbeispiel, ragen mit einem Teilbereich bis in den Wasserkasten 2, also über den Kühlmitteleintrittsstutzen 4 hinaus, wie im in 8 dargestellten Prinzip.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform eines Einsatzes kann der Einsatz sich mit einem wesentlichen Bereich im Wasserkasten 2 erstrecken und nur geringfügig in den Kühlmitteleintrittsstutzen 4 ragen (Prinzip von 9) oder auch bis weit in den Kühlmitteleintrittsstutzen 4 ragen (Prinzip von 10). Hierbei ermöglichen insbesondere die beiden letztgenannten Anordnungsmöglichkeiten für Einsätze eine optimierte Strömungsvergleichmäßigung im Wasserkasten 2 und somit eine sehr gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die Flachrohre 3.
In der obigen Beschreibung der Ausführungsbeispiel wurde ausschließlich auf Flachrohre 3 Bezug genommen, die zwischen den Wasserkästen verlaufend angeordnet sind. An Stelle von Flachrohren können jedoch auch beliebige andere Rohre oder entsprechende, von Kühlmittel auf der einen Seite durchströmte und von Luft auf der anderen Seite umströmte Elemente vorgesehen sein.

Claims

Kühlmittelkühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Wasserkasten (2), der aufweist: mindestens einen Eintrittsstutzen (4), durch welchen Kühlmittel in den Wasserkasten (2) gelangt, und eine Mehrzahl von Rohren (3), die mit dem Wasserkasten (2) über einen Rohrboden verbunden sind, durch welche das Kühlmittel in einen Wärmeübertragungsbereich gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass am oder im Eintrittsstutzen (4) und/oder im Wasserkasten (2) mindestens ein Einsatz (10; 20; 30; 40; 50) vorgesehen ist, welcher den Kühlmittelstrom derart verändert, dass die Kühlmittelverteilung auf die Rohre (3) im Vergleich zu einem baugleichen Kühlmittelkühler ohne Einsatz gleichmäßiger ist.
Kühlmittelkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich des Einsatzes (10; 20; 30; 40; 50) im Kühlmitteleintrittsstutzen (4) angeordnet ist.
Kühlmittelkühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (10; 20; 30; 40; 50) zumindest im in den Kühlmitteleintrittsstutzen (4) ragenden Bereich eine der Innenkontur des Kühlmitteleintrittsstutzens (4) entsprechende Außenkontur aufweist.
Kühlmittelkühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (30; 40; 50) Einbauten aufweist, welche den Kühlmittelstrom in Teilströme unterteilt.
Kühlmittelkühler nach einem der Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten durch mindestens eine Trennwand (31) gebildet sind, welche die Richtung des Strömungsverlaufs im Einsatz (30; 40) verändert.
Kühlmittelkühler nach einem der Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten durch einen Gleichrichtereinsatz (51) gebildet sind.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einsatz (10; 20) zumindest teilweise ins Innere des Wasserkastens (2) erstreckt.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (10; 20) mit einem Bereich (12; 22) in den Wasserkasten (2) ragt, wobei der Einsatz (10; 20) an seinem in den Wasserkasten (2) ragenden Ende (11; 21) verschlossen ausgebildet ist.
Kühlmittelkühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (10; 20) mindestens eine in der zylinderförmigen Wand angeordnete Öffnung (13; 23) aufweist.
Kühlmittelkühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (13; 23) sich in einer Richtung weg vom Rohrboden öffnet.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einsatz über die gesamte Tiefe des Wasserkastens (2) erstreckt.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einsatz über die gesamte Höhe des Wasserkastens (2) erstreckt.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3) über die gesamte Höhe des Kühlmittelkühlers (1) einen konstanten freien Strömungsquerschnitt aufweisen.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleintrittsstutzen (4) schräg bezüglich der Außenfläche des Wasserkastens (2) angeordnet ist.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkasten (2) aus Kunststoff besteht.
Kühlmittelkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden aus einem Metall oder einer Legierung besteht.