DE102006055593B4

DE102006055593B4 - Zwischenkühler

Info

Publication number: DE102006055593B4
Application number: DE102006055593A
Authority: DE
Inventors: Haruhiko Aichi-ken Watanabe; Masaki Aichi-ken Harada; Sumio Aichi-ken Susa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2026-11-25
Also published as: DE102006055593A1; JP4670610B2; CN1975123A; JP2007147170A; CN100436773C; US20070119430A1

Abstract

Zwischenkühler, angeordnet stromab eines Laders in einem Ansaugluftstrom zum Komprimieren und Kühlen der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors durch Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft und einem Kühlfluid, mit mehreren Rohren mit einem inneren Pfad der Ansaugluft; und mehreren Innenrippen, die in den Rohren in einer solchen Weise angeordnet sind, dass sie den Strömungspfad in jedem der Rohre in mehrere dünne Strömungspfade aufteilen, um den Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft und dem Kühlfluid zu fördern, wobei jede der Innenrippen eine geradlinige Rippe mit Wänden ist, die den Strömungspfad in die dünnen Strömungspfade aufteilen und die sich linear in der Richtung des Ansaugluftstroms erstrecken, wobei der Ladeluftstrom nicht geringer als 1.200 kg/h ist, wobei das Rohr aus einem Material gebildet ist, das ausgewählt ist aus Kupfer und einer Kupferlegierung, wobei die Plattendicke 0,1 bis 0,5 mm beträgt, und wobei unter der Annahme, dass der Abstand zwischen benachbarten Rohren entlang der...

Description

Diese Erfindung betrifft einen Zwischenkühler zum Kühlen der in einen Verbrennungsmotor gesaugten Verbrennungsluft (Ansaugluft).
DE 10 2004 013 682 A1 beschreibt einen Wärmeübertrager, insbesondere einen luftgekühlten Luftkühler, bestehend aus einem Block mit im Kreuzstrom zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungskanälen für ein erstes zu kühlendes gasförmiges Medium und ein zweites zu kühlendes gasförmiges Medium, wobei die ersten Strömungskanäle ein- und austrittsseitig mit auf den Block aufgesetzten Sammelkästen verbunden sind und in den zweiten Strömungskanälen Rippen angeordnet sind. In den ersten Strömungskanälen sind Wärmeübertragungsmittel angeordnet, die im Eintrittsbereich eine geringere Wärmeübertragungsfähigkeit aufweisen als im anschließenden Bereich. Hierdurch sollen thermisch bedingte Spannungen abgebaut und Risse und Undichtigkeiten im Kühler vermieden werden.
In einem Verbrennungsmotor mit einem Lader für große Lastkraftwagen ist der Ladeluftdruck in vielen Fällen auf etwa 180 kPa eingestellt (der Druck in allen hier beschriebenen Fällen ist der Manometerdruck). Der unter diesen Umständen verwendete Zwischenkühler ist allgemein aus Aluminium gebildet (siehe zum Beispiel die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 10-292996 ).
Es ist bekannt, dass die optimale Konstruktion dieses Aluminium-Zwischenkühlers unter Berücksichtigung des Leistungsvermögens des Wärmetauschers und der Innendruckfestigkeit von etwa 9 mm Rohrhöhe, etwa 0,5 mm Rohrplattendicke und etwa 21 mm Rohrabstand ist.
Im Verbrennungsmotor für große Lastkraftwagen wird die Zweckmäßigkeit des Erhöhens des Ladeluftdrucks und der Temperatur untersucht, um die Anforderungen zu erfüllen, die Emission von Gasen zu beschränken, was in der Zukunft noch strenger erwartet wird. Gleichzeitig müssen die Druckfestigkeit und die Warmfestigkeit des Zwischenkühlers deutlich erhöht werden.
In einem solchen Fall muss die Plattendicke deutlich erhöht werden, um die erforderliche Festigkeit des herkömmlichen Aluminium-Zwischenkühlers zu sichern. Eine vergrößerte Plattendicke führt jedoch zu einem größeren Druckverlust, was in einer Verschlechterung des Leistungsvermögens des Wärmetauschers
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, die Bedingungen zum Erzielen eines hohen Leistungsvermögens des Zwischenkühlers zu bestimmen und dadurch das Leistungsvermögen des Zwischenkühlers zu verbessern.
Um diese Aufgabe zu lösen, ist gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung ein stromab eines Laders im Ansaugluftstrom zur Druckerhöhung der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors angeordneter Zwischenkühler zum Kühlen der Ansaugluft durch Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft und einem Kühlfluid vorgesehen, mit Rohren (10) mit einem inneren Pfad der Ansaugluft und in den Rohren (10) in einer solchen Weise angeordneten Innenrippen (11), dass der Strömungspfad in jedem Rohr (10) in mehrere dünne Strömungspfade (100) aufgeteilt ist, um den Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft und dem Kühlfluid zu fördern, wobei jede Innenrippe (11) eine geradlinige Rippe mit die dünnen Strömungspfade (100) teilenden und geradlinig in der Richtung des Ansaugluftstroms verlaufenden Wänden (110) ist, wobei der Ladeluftstrom nicht geringer als 1.200 kg/h ist, wobei die Rohre (10) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer Plattendicke von 0,1 bis 0,5 mm gebildet sind, und wobei unter der Annahme, dass der Abstand zwischen benachbarten Rohren (10) entlang der Stapelrichtung ein Rohrabstand Tp ist, die Höhe des Rohrs (10) entlang der Stapelrichtung eine Rohrhöhe Th ist, der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, dann die Beziehung zwischen x und y den Gleichungen 1 bis 4 genügt.
Als Ergebnis einer Untersuchung der Erfinder wurde es offensichtlich, dass die Motorausgangsleistung Ps eines aktuellen Kraftfahrzeugs proportional zur Ladeluftdichte ρ am Auslass des Zwischenkühlers ist. Daher untersuchten die Erfinder die Möglichkeit des Bestimmens der optimalen Spezifikation des Kerns des Zwischenkühlers aus der Beziehung zwischen der Ladeluftdichte ρ und dem Rohrabstand Tp.
In dem Zwischenkühler mit den Innenrippen (11) als geradlinigen Rippen und den Rohren (10) aus Kupfer oder Kupferlegierung wie im ersten Aspekt kann ein Hochleistungs-Zwischenkühler mit der Ladeluftdichte ρ von nicht weniger als 98% des Maximalwerts durch Einstellen des Rohrabstands Tp und der Rohrhöhe Th entsprechend den Gleichungen 1 bis 4 erzielt werden. Daher kann die optimale Spezifikation des Kerns des Zwischenkühlers mit dem Rohrabstand Tp und der Rohrhöhe Th als Parameter bestimmt werden.
Die Untersuchung der Erfinder hat auch deutlich gemacht, dass die Ladeluftdichte ρ mit der Annäherung der Werte x und y an die Mitte des durch die Gleichungen 1 bis 4 angegebenen Bereichs größer wird. In der Nähe der Grenze des durch die Gleichungen 1 bis 4 ausgedrückten Bereichs ist die Ladeluftdichte ρ geringer als in der Nähe der Mitte des Bereichs.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Zwischenkühler vorgesehen, bei welchem unter der Annahme, dass der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, die Beziehung zwischen x und y den Gleichungen 5 bis 9 genügt.
Als Ergebnis kann ein Hochleistungs-Zwischenkühler mit der Ladeluftdichte ρ von nicht weniger als 98% des Maximalwerts erzielt werden, und im Vergleich zum ersten Aspekt wird der Unterschied der Ladeluftdichte ρ zwischen der Mitte und der Grenze des Bereichs verringert.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Zwischenkühler vorgesehen, bei welchem unter der Annahme, dass der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, die Beziehung zwischen x und y den Gleichungen 10 bis 12 genügt.
Als Ergebnis kann ein Zwischenkühler von sehr hohem Leistungsvermögen mit der Ladeluftdichte ρ von nicht weniger als 99% des Maximalwerts erzielt werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Zwischenkühler vorgesehen, bei welchem unter der Annahme, dass der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, die Beziehung zwischen x und y den Gleichungen 13 bis 15 genügt.
Als Ergebnis kann ein Zwischenkühler von sehr hohem Leistungsvermögen mit einer Ladeluftdichte ρ von nicht weniger als 99% des Maximalwerts erzielt werden, und im Vergleich zum dritten Aspekt kann der Unterschied der Ladeluftdichte ρ zwischen der Mitte und der Grenze des Bereichs weiter reduziert werden.
In den oben beschriebenen ersten bis vierten Aspekten können die Rohre (10) aus einem rostfreien Stahl oder Stahl gebildet sein und können eine Plattendicke von 0,07 bis 0,5 mm haben.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist ein Zwischenkühler vorgesehen, mit Innenrippen (11) als geradlinigen Rippen, wobei de/(S/Swa) 0,2 bis 7,5 beträgt, wenn S die Querschnittsfläche in einem Rohr (10) ist, Swa die Gesamtfläche der dünnen Strömungspfade (100) eines Rohrs (10) ist, und de (in mm) der äquivalente Kreisdurchmesser eines dünnen Strömungspfades (100) ist.
Der äquivalente Kreisdurchmesser de ist hier definiert als 4 × (Th – 2 × tt – ti) × (d/2 – ti)/[2 × ((Th – 2 × tt × ti) + (d/2 – ti))], wobei tt die Plattendicke des Rohrs (10) ist und ti die Plattendicke der Innenrippe (11) ist.
Die Untersuchung der Erfinder bestätigte, dass durch Einstellen von de/(S/Swa) auf 0,2 bis 7,5 ein Hochleistungs-Zwischenkühler erzielt werden kann, wie in 4 veranschaulicht.
Auch haben die Erfinder bestätigt, dass durch Einstellen von de/(S/Swa) auf 0,3 bis 4,5 ein Zwischenkühler eines noch höheren Leistungsvermögens erzielt werden kann.
Weiter haben die Erfinder bestätigt, dass durch Einstellen von de/(S/Swa) auf 0,5 bis 3,5 ein Zwischenkühler von sehr hohem Leistungsvermögen erzielt werden kann.
In den oben beschriebenen ersten bis vierten Aspekten können die Innenrippen (11) versetzte Rippen sein, in denen jeweils die Wände (110) zum Bilden der dünnen Strömungspfade (100) durch Teilung in einer versetzten Weise entlang der Richtung der Ansaugluft angeordnet sind.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung ist ein Zwischenkühler vorgesehen, mit Innenrippen (11) als versetzte Rippen, wobei de/(S/Swa) 0,4 bis 9,5 beträgt, wenn S die Querschnittsfläche in einem Rohr (10) ist, Swa die Gesamtfläche der dünnen Strömungspfade (100) eines Rohrs (10) ist, und de (in mm) der äquivalente Kreisdurchmesser eines dünnen Strömungspfades (100) ist.
Die Untersuchung der Erfinder bestätigte, dass durch Einstellen von de/(S/Swa) auf 0,4 bis 9,5 ein Hochleistungs-Zwischenkühler erzielt werden kann, wie in 5 veranschaulicht.
Die Erfinder bestätigten auch, dass durch Einstellen von de/(S/Swa) auf 0,6 bis 7,2 ein Zwischenkühler eines höheren Leistungsvermögens erzielt werden kann.
Die Erfinder bestätigten weiter, dass durch Einstellen von de/(S/Swa) auf 0,8 bis 6,2 ein Zwischenkühler von sehr hohem Leistungsvermögen erzielt werden kann.
Die den oben beschriebenen Einrichtungen beigefügten Bezugsziffern in Klammern geben die Entsprechung zu speziellen Einrichtungen an, die in den später beschriebenen Ausführungsbeispielen enthalten sind.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine Vorderansicht eines Zwischenkühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts A in 1;
3 eine Schnittansicht entlang Linie B-B in 2;
4 eine Darstellung des Berechnungsergebnisses des Leistungsvermögens eines Kerns unter Verwendung der geradlinigen Rippen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 eine Darstellung des Berechnungsergebnisses des Leistungsvermögens eines Kerns unter Verwendung der versetzten Rippen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwischen der Plattendicke tt des Rohrs und der auf das Rohr ausgeübten Belastung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwischen der Plattendicke tt des Rohrs und dem Gewicht des Kerns gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 eine Darstellung des Berechnungsergebnisses des Leistungsvermögens des Kerns unter Verwendung des aus einem solchen Material wie Kupfer oder rostfreiem Stahl gebildeten Rohrs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
9 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwischen dem Rohrabstand Tp und der Rohrhöhe Th bei einer Ladeluftdichte ρ von nicht weniger als 98% des Maximalwerts in 8.
10 eine Darstellung eines optimalen Bereichs A, der durch Annähern an das Kennliniendiagramm von 9 definiert ist.
11 eine Darstellung eines optimalen Bereichs B, der durch Annähern an das Kennliniendiagramm von 9 definiert ist.
12 ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwischen dem Rohrabstand Tp und der Rohrhöhe Th bei einer Ladeluftdichte ρ nicht geringer als 99% des Maximalwerts in 8.
13 eine Darstellung eines optimalen Bereichs C, der durch Annähern an das Kennliniendiagramm von 12 definiert ist.
14 eine Darstellung eines optimalen Bereichs D, der durch Annähern an das Kennliniendiagramm von 12 definiert ist.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. 1 ist eine Vorderansicht eines Zwischenkühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, 2 ist eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A in 1, und 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 2.
Der Zwischenkühler gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist stromab eines Laders (nicht dargestellt) im Ansaugluftstrom zum Komprimieren der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) angeordnet, um dadurch die Ansaugluft durch Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft und der Kühlluft zu kühlen. Die Kühlluft entspricht dem Kühlfluid gemäß der Erfindung.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, enthält ein Kern 1 des Zwischenkühlers eine Vielzahl von flachen Rohren 10 in einem Stapel und mit einem Strömungspfad der Ansaugluft darin, in den Rohren 10 angeordnete Innenrippen 11 und zwischen den gestapelten Rohren 10 angeordnete Außenrippen 12.
Die Rohre 10 sind aus Kupfer oder rostfreiem Stahl gebildet. Die Innenrippen 11 und die Außenrippen 12 sind aus Kupfer gebildet. In dieser Beschreibung enthält „Kupfer” auch eine „Kupferlegierung”, und „ein rostfreier Stahl” enthält auch „einen Stahl”.
Die Außenrippen 12 sind gewellt und mit den Rohren 10 gekoppelt, um den Wärmeaustausch zwischen der zwischen den Rohren 10 strömenden Kühlluft und der in den Rohren 10 strömenden Ansaugluft zu fördern. Die Außenrippen 12 sind teilweise geschnitten, um Luftklappen 12a zu bilden, um den Luftstrom zu stören und das Wachsen einer thermischen Grenzschicht zu verhindern.
Die Innenrippen 11 sind gewellt und mit den Rohren 10 gekoppelt, um den Wärmeaustausch zwischen der Kühlluft und der Ansaugluft zu fördern. Auch haben die Innenrippen 11 eine Vielzahl von Wänden 110, die die gegenüberliegenden Flächen der Rohre 10 verbinden, wodurch der Strömungspfad in den Rohren 10 in mehrere dünne Strömungspfade 100 aufgeteilt wird. Die Innenrippen 11 besitzen keine Luftklappen.
Verteilerbehälter 2, 3, die sich entlang der Stapelrichtung der Rohre erstrecken und mit den Rohren 10 in Verbindung stehen, sind an den Längsenden der Rohre 10 angeordnet. Der Einlass 20 des Verteilerbehälters 2 ist mit einem Lader verbunden, um die von dem Lader unter Druck zugeführte Ansaugluft auf die Rohre 10 zu verteilen. Der Auslass 30 des anderen Verteilerbehälters 3 ist mit der Ansaugöffnung des Verbrennungsmotors verbunden, sodass die aus den Rohren 10 ausströmende Ansaugluft gesammelt und zur Ansaugöffnung des Verbrennungsmotors ausgeschickt wird. Die Verteilerbehälter 2, 3 sind beide aus Kupfer gebildet.
Der optimale Bereich der Plattendicke ti (in mm, siehe 3) der Innenrippen 11 des Zwischenkühlers gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit dem obigen Aufbau wurde untersucht.
Diese Untersuchung wurde unter den nun beschriebenen Bedingungen ausgeführt. Zuerst ist die Spezifikation des Zwischenkühlers derart, dass die Innenrippen 11 geradlinige Rippen sind, deren Wände 110 sich linear entlang der Richtung des Ansaugluftstroms in den Rohren 10 erstrecken.
Der Kern 1 ist 596,9 mm breit, 886 mm hoch und 56 mm dick. Die Breite des Kerns 1 ist die Größe in Querrichtung der Zeichnung von 1, die Höhe des Kerns 1 ist die vertikal genommene Größe der Zeichnung von 1, und die Dicke des Kerns 1 ist die in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene von 1 genommene Größe.
Jedes Rohr 10 hat eine Höhe Th von 5,9 mm (3) und eine Dicke von 56 mm und eine Plattendicke tt (3) von 0,3 mm. Die Rohrhöhe Th ist die vertikale Größe der Zeichnung von 1, und die Dicke des Rohrs 10 ist die in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene von 1 genommene Größe. Die Außenrippen 12 haben einen Rippenabstand von 4,0 mm und eine Plattendicke von 0,05 mm.
Das Leistungsvermögen des Kerns 1 wird unter den nun beschriebenen Bedingungen berechnet. Insbesondere beträgt die Temperatur der in den Zwischenkühler strömenden Kühlluft 30°C, die Geschwindigkeit der Kühlluft beträgt 8 m/s, die Temperatur der Ladeluft (Ansaugluft) am Einlass 20 des Verteilerbehälters 2 beträgt 180°C, der Ladeluftdruck am Einlass 20 des Verteilerbehälters 2 beträgt 200 kPa, und der Massenstrom der Ladeluft beträgt 2.000 kg/h.
4 zeigt das Berechnungsergebnis des Leistungsvermögens des Kerns 1. Die Ordinate stellt die Dichte ρ der Ladeluft dar, nachdem sie durch den Zwischenkühler geströmt ist, und die Abszisse den korrigierten äquivalenten Kreisdurchmesser, wie er von den Erfindern verstanden und eingesetzt wird. Dieser korrigierte äquivalente Kreisdurchmesser ist als de/(S/Swa) gegeben, wobei S die Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des Ansaugluftstroms in einem Rohr 10 ist, Swa die gesamte Strömungspfadfläche der dünnen Strömungspfade 100 in einem Rohr 10 ist, und de (in mm) der äquivalente Kreisdurchmesser eines dünnen Strömungspfades 100 ist.
Wie aus 4 ersichtlich, wird in dem Zwischenkühler mit den Innenrippen 11 als geradlinige Rippen und einem Ladeluftdruck nicht geringer als 200 kPa oder den Innenrippen 11 als geradlinige Rippen mit den Rohren 10 und den Innenrippen 11 beide aus Kupfer gebildet, die Ladeluftdichte ρ auf nicht weniger als 90% des Maximalwerts erhöht, indem der korrigierte äquivalente Kreisdurchmesser auf 0,2 bis 7,5 eingestellt wird, auf nicht weniger als 95% des Maximalwerts erhöht, indem der korrigierte äquivalente Kreisdurchmesser auf 0,3 bis 4,5 eingestellt wird, und durch Einstellen des korrigierten äquivalenten Kreisdurchmessers auf 0,5 bis 3,5 auf nicht weniger als 97% des Maximalwerts.
Als nächstes untersuchten die Erfinder die optimale Spezifikation des Kerns 1 unter Verwendung von versetzten Rippen als Innenrippen 11. Versetzte Rippen sind bekanntermaßen von der Art, dass die Wände 110 in einer versetzten Weise entlang der Richtung des Ansaugluftstroms in den Rohren 10 angeordnet sind. Die übrigen Bedingungen sind identisch zum obigen Fall.
5 zeigt das Berechnungsergebnis. Im Zwischenkühler, in dem die Innenrippen 11 versetzte Rippen sind und der Ladeluftdruck nicht geringer als 200 kPa ist oder die Innenrippen 11 versetzte Rippen sind und die Rohre 10 und die Innenrippen 11 beide aus Kupfer ausgebildet sind, wird die Ladeluftdichte ρ durch Einstellen des korrigierten äquivalenten Kreisdurchmessers auf 0,4 bis 9,5 auf nicht weniger als 90% des Maximalwerts erhöht, durch Einstellen des korrigierten äquivalenten Kreisdurchmessers auf 0,6 bis 7,2 auf nicht weniger als 95% des Maximalwerts, und durch Einstellen des korrigierten äquivalenten Kreisdurchmessers auf 0,8 bis 6,2 auf nicht weniger als 97% des Maximalwerts.
Der optimale Bereich der Plattendicke tt (in mm, 3) der Rohre 10 des Zwischenkühlers gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde ebenfalls untersucht.
6 ist ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwischen der Plattendicke tt des Rohrs 10 und der auf das Rohr 10 bei einem Innendruck von 200 kPa ausgeübten Belastung. Die Ordinate stellt die auf das Rohr 10 ausgeübte Belastung dar, und die Abszisse die Plattendicke tt des Rohrs 10. Die Rohrhöhe Th beträgt 6,5 mm, und der Rohrabstand Tp beträgt 17,5 mm.
Die geplante Belastung des Kupfers und des rostfreien Stahls, wie sie aus der Ermüdungsgrenze berechnet werden, beträgt 80 MPa für Kupfer und 160 MPa für rostfreien Stahl. Wie in 6 dargestellt, ist deshalb die Untergrenze der Plattendicke tt des Rohrs 10 0,1 mm für Kupfer und 0,07 mm für rostfreien Stahl.
7 ist ein Kennliniendiagramm der Beziehung zwischen der Plattendicke tt des Rohrs 10 und dem Gewicht des Kerns 1. Die Ordinate stellt das Kerngewicht in Prozent unter der Annahme dar, dass das Kerngewicht 100% beträgt, falls die Plattendicke tt des Rohrs 10 0,3 mm beträgt, und die Abszisse stellt die Plattendicke tt des Rohrs 10 dar. Die Rohrhöhe Th beträgt 6,5 mm, und der Rohrabstand Tp beträgt 17,5 mm.
Wie in 7 dargestellt, wird das Kerngewicht mit der Plattendicke tt des Rohrs 10 größer, wodurch die Vibrationsfestigkeit und die Montierbarkeit schlechter und die Materialkosten höher werden. Unter praktischen Gesichtspunkten ist deshalb die Grenze der Plattendicke tt des Rohrs 10 0,5 mm für sowohl Kupfer als auch rostfreien Stahl.
Deshalb beträgt die optimale Plattendicke tt des Kupferrohrs 10 0,1 bis 0,5 mm, und jene des Rohrs 10 aus rostfreiem Stahl 0,07 bis 0,5 mm.
Die Verwendung von Kupfer oder rostfreiem Stahl für das Rohr 10 wie in diesem Ausführungsbeispiel kann die Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessern, wobei gleichzeitig die Plattendicke tt reduziert wird.
Bezüglich des Zwischenkühlers gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit dem obigen Aufbau wurde die optimale Spezifikation des Kerns 1 durch Berechnen des Leistungsvermögens des Kerns 1 unter Veränderung der Plattendicke tt des Rohrs 10 untersucht.
Diese Untersuchung wurde unter den folgenden Bedingungen ausgeführt. Zunächst ist die Spezifikation des Zwischenkühlers derart, dass der Kern 1 588,5 mm breit, 886 mm hoch und 66 mm dick ist.
Die Rohre 10 haben jeweils eine Höhe Th von 6,5 mm, eine Länge von 66 mm und eine Plattendicke tt von 0,3 mm. Die Außenrippen 12 haben einen Rippenabstand von 4,0 mm und eine Plattendicke von 0,05 mm.
Das Leistungsvermögen des Kerns 1 wurde unter den folgenden Bedingungen berechnet. Insbesondere beträgt die Temperatur der in den Zwischenkühler strömenden Kühlluft 25°C, die Geschwindigkeit der Kühlluft beträgt 4 m/s, die Temperatur der Ladeluft (Ansaugluft) am Einlass 20 des Verteilerbehälters 2 beträgt 300°C, der Druck der Ladeluft am Einlass 20 des Verteilerbehälters 2 beträgt 400 kPa, und der Massenstrom der Ladeluft beträgt 2.700 kg/h.
8 zeigt das Berechnungsergebnis des Leistungsvermögens des Kerns 1. Die Ordinate stellt die Dichte ρ der durch den Zwischenkühler geströmten Ladeluft dar, und die Abszisse den Rohrabstand Tp.
Aus 8 wird der zur Ladeluftdichte ρ nicht geringer als 98% des Maximalwerts (tt = 0,3) gehörende Rohrabstand Tp berechnet. Aus dem so berechneten Rohrabstand Tp wird die Rohrhöhe Th durch Berechnung bestimmt.
9 zeigt das Berechnungsergebnis und 10 das Ergebnis des Annäherns und Ausdruckens der in 9 dargestellten Daten in numerischen Gleichungen. Insbesondere wird in 10 der Rohrabstand Tp zu x (mm) angenommen, die Rohrhöhe Th zu y (mm), und für die durchgezogenen Linien a bis f gelten jeweils die folgenden Gleichungen 16 bis 21: y = 3 (16) y = –0,0108x² + 0,778x – 1,86 (17) y = 0,0107x² – 0,138x + 3,45 (18) y = 10 (19) y = –0,667x + 27,5 (20) x = 27,8 (21)
Der Rohrabstand Tp und die Rohrhöhe Th werden in einer solchen Weise bestimmt, dass sie in dem durch die sechs oben beschriebenen Gleichungen definierten Bereich (nachfolgend als der optimale Bereich A bezeichnet) enthalten sind. Insbesondere wird die Beziehung zwischen x und y so eingestellt, dass sie den folgenden vier Gleichungen genügt: 3 ≤ y ≤ –0,0108x² + 0,778x – 1,86 (1) für 7,3 ≤ x ≤ 8,6 0,0107x² – 0,138x + 3,45 ≤ y ≤ –0,0108x² + 0,778x – 1,86 (2) für 8,6 ≤ x5 ≤ 21,6 0,0107x² – 0,138x + 3,45 ≤ y ≤ 10 (3) für 21,6 ≤ x ≤ 26,3 0,0107x² – 0,138x + 3,45 ≤ y ≤ –0,667x + 27,5 (4) für 26,3 ≤ x ≤ 27,8
Auf diese Weise kann ein Hochleistungs-Zwischenkühler erzielt werden, in dem die Ladeluftdichte p nicht geringer als 98% des Maximalwerts (tt von 0,3) ist. So kann die optimale Spezifikation des Kerns 1 mit dem Rohrabstand Tp und der Rohrhöhe Th als Parameter bestimmt werden.
Die Untersuchung der Erfinder machte klar, dass die Ladeluftdichte ρ mit der Annäherung der x- und y-Werte an die Mitte des optimalen Bereichs größer wird. In der Nähe der Grenze des optimalen Bereichs ist deshalb die Ladeluftdichte ρ niedriger als in der Nähe des Mittelbereichs.
In Anbetracht dessen untersuchten die Erfinder einen neuen optimalen Bereich, in dem der Unterschied der Ladeluftdichte ρ zwischen der Grenze und der Mitte des Bereichs kleiner als in dem Fall ist, wenn der Rohrabstand Tp und die Rohrhöhe Th Parameter bilden.
11 zeigt das Ergebnis der Untersuchung, in welcher die durchgezogenen Linien g bis l die nachfolgend dargestellten Gleichungen 22 bis 27 darstellen: y = 4 (22) y = –0,0165x² + 0,966x – 3,49 (23) y = –0,00120x² + 0,250x + 1,00 (24) y = 0,0732x² – 3,04x + 37,4 (25) y = 10 (26) y = –0,667x + 27,0 (27)
Der Rohrabstand Tp und die Rohrhöhe Th werden in einer solchen Weise bestimmt, dass sie in dem durch die sechs oben beschriebenen Gleichungen definierten Bereich (nachfolgend als der optimale Bereich B bezeichnet) enthalten sind. Insbesondere ist die Beziehung zwischen x und y so eingestellt, dass sie den fünf nachfolgenden Gleichungen genügt: 4 ≤ y ≤ –0,0165x² + 0,966x – 3,49 (5) für 9,5 ≤ x ≤ 12,6 –0,00120x² + 0,250x + 1,00 ≤ y ≤ -0,0165x² + 0,966x – 3,49 (6) für 12,6 ≤ x ≤ 22,3 0,0732x² – 3,04x + 37,4 ≤ y ≤ –0,0165x² + 0,966x – 3,49 (7) für 22,3 ≤ x ≤ 22,8 0,0732x² – 3,04x + 37,4 ≤ y ≤ 10 (8) für 22,8 ≤ x ≤ 25,5 0,0732x² – 3,04x + 37,4 ≤ y ≤ –0,667x + 27,0 (9) für 25,5 ≤ x ≤ 27,9
Auf diese Weise kann ein Hochleistungs-Zwischenkühler erzielt werden, bei dem die Ladeluftdichte ρ nicht geringer als 98% des Maximalwerts (für tt von 0,3) ist. Weiter kann, da der optimale Bereich B kleiner als der optimale Bereich A ist, der Unterschied der Ladeluftdichte ρ zwischen der Mitte und der Grenze des Bereichs weiter reduziert werden.
Zurück zu 8 wird der Rohrabstand Tp berechnet, bei dem die Ladeluftdichte ρ nicht geringer als 99% des Maximalwerts (für tt von 0,3) ist. Aus dem so berechneten Rohrabstand Tp wird die Rohrhöhe Th durch Berechnung bestimmt.
12 zeigt das Berechnungsergebnis. 13 zeigt das Ergebnis der Annäherung und des Ausdrucks der Daten von 12 in numerischen Gleichungen. Insbesondere wird in 13 der Rohrabstand Tp zu x (mm) angenommen, die Rohrhöhe Th zu y (mm), und für die durchgezogenen Linien m bis p gelten jeweils die folgenden Gleichungen 28 bis 31: y = 4 (28) y = –0,0198x² + 0,995x – 3,34 (29) y = 0,0265x² – 0,660x + 8,15 (30) y = –0,556x + 21,5 (31)
Der Rohrabstand Tp und die Rohrhöhe Th werden in einer solchen Weise bestimmt, dass sie in dem durch die vier oben beschriebenen Gleichungen definierten Bereich (nachfolgend als der optimale Bereich C bezeichnet) enthalten sind. Insbesondere wird die Beziehung zwischen x und y so eingestellt, dass sie den folgenden drei Gleichungen genügt: 4 ≤ y ≤ –0,0198x² + 0,995x – 3,34 (10) für 9 ≤ x ≤ 13,7 0,0265x² – 0,660x + 8,15 ≤ y ≤ –0,0198x² + 0,995x – 3,34 (11) für 13,7 ≤ x ≤ 22,5 0,0265x² – 0,660x + 8,15 ≤ y ≤ –0,556x + 21,5 (12) für 22,5 ≤ x ≤ 24,3
Auf diese Weise kann ein Zwischenkühler von sehr hohem Leistungsvermögen erzielt werden, in dem die Ladeluftdichte ρ nicht niedriger als 99% des Maximalwerts (für tt von 0,3) ist.
Auch untersuchten die Erfinder in der gleichen Weise, wie der optimale Bereich B bestimmt wird, einen neuen optimalen Bereich, in dem der Unterschied in der Ladeluftdichte ρ zwischen der Grenze und der Mitte des Bereichs kleiner wird, falls der Rohrabstand Tp und die Rohrhöhe Th Parameter bilden.
14 zeigt das Ergebnis der Untersuchung, in welcher die durchgezogenen Linien q bis t die Gleichungen 32 bis 35 angeben: y = 5 (32) y = –0,0380x² + 1,58x – 8,13 (33) y = 0,0507x² – 1,57x + 17,1 (34) y = 8 (35)
Der Rohrabstand Tp und die Rohrhöhe Th werden in einer solchen Weise bestimmt, dass sie in dem durch die vier oben beschriebenen Gleichungen definierten Bereich (nachfolgend als der optimale Bereich D bezeichnet) enthalten sind. Insbesondere wird die Beziehung zwischen x und y so eingestellt, dass sie den folgenden drei Gleichungen genügt: 5 ≤ y ≤ –0,0380x² + 1,58x – 8,13 (13) für 11,5 ≤ x ≤ 15,9 0,0507x² – 1,57x + 17,1 ≤ y ≤ –0,0380x² + 1,58x – 8,13 (14) für 15,9 ≤ x ≤ 17,7 0,0507x² – 1,57x + 17,1 ≤ y ≤ 8 (15) für 17,7 ≤ x ≤ 23,2
Auf diese Weise kann ein Zwischenkühler von sehr hohem Leistungsvermögen erzielt werden, in dem die Ladeluftdichte ρ nicht niedriger als 99% des Maximalwerts (für tt von 0,3) ist. Ferner kann, da der optimale Bereich D kleiner als der optimale Bereich C ist, der Unterschied der Ladeluftdichte ρ zwischen der Mitte und der Grenze des Bereichs noch weiter verringert werden.
Während die Erfindung unter Bezug auf die speziellen Ausführungsbeispiele zu Veranschaulichungszwecken beschrieben worden ist, sollte es offensichtlich sein, dass durch den Fachmann zahlreiche Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne den durch die anhängenden Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Zwischenkühler, angeordnet stromab eines Laders in einem Ansaugluftstrom zum Komprimieren und Kühlen der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors durch Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft und einem Kühlfluid, mit mehreren Rohren mit einem inneren Pfad der Ansaugluft; und mehreren Innenrippen, die in den Rohren in einer solchen Weise angeordnet sind, dass sie den Strömungspfad in jedem der Rohre in mehrere dünne Strömungspfade aufteilen, um den Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft und dem Kühlfluid zu fördern, wobei jede der Innenrippen eine geradlinige Rippe mit Wänden ist, die den Strömungspfad in die dünnen Strömungspfade aufteilen und die sich linear in der Richtung des Ansaugluftstroms erstrecken, wobei der Ladeluftstrom nicht geringer als 1.200 kg/h ist, wobei das Rohr aus einem Material gebildet ist, das ausgewählt ist aus Kupfer und einer Kupferlegierung, wobei die Plattendicke 0,1 bis 0,5 mm beträgt, und wobei unter der Annahme, dass der Abstand zwischen benachbarten Rohren entlang der Stapelrichtung ein Rohrabstand Tp ist, die Höhe des Rohrs in der Stapelrichtung eine Rohrhöhe Th ist, der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, dann die Beziehung zwischen x und y den folgenden vier Gleichungen genügt: 3 ≤ y ≤ –0,0108x² + 0,778x – 1,86 (1) für 7,3 ≤ x ≤ 8,6 0,0107x² – 0,138x + 3,45 ≤ y ≤ –0,0108x² + 0,778x – 1,86 (2) für 8,6 ≤ x ≤ 21,6 0,0107x² – 0,138x + 3,45 ≤ y ≤ 10 (3) für 21,6 ≤ x ≤ 26,3 0,0107x² – 0,138x + 3,45 ≤ y ≤ –0,667x + 27,5 (4) für 26,3 ≤ x ≤ 27,8
Zwischenkühler nach Anspruch 1, bei welchem unter der Annahme, dass der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, die Beziehung zwischen x und y die folgenden fünf Gleichungen erfüllt: 4 ≤ y ≤ –0,0165x² + 0,966x – 3,49 (5) für 9,55 ≤ x ≤ 12,6 –0,00120x² + 0,250x + 1,00 ≤ y ≤ –0,0165x² + 0,966x – 3,49 (6) für 12,65 ≤ x ≤ 22,3 0,0732x² – 3,04x + 37,4 ≤ y ≤ –0,0165x² + 0,966x – 3,49 (7) für 22,3 ≤ x ≤ 22,8 0,0732x² – 3,04x + 37,4 ≤ y ≤ 10(8) für 22,8 ≤ x ≤ 25,5 0,0732x² – 3,04x + 37,4 ≤ y ≤ –0,667x + 27,0 (9) für 25,5 ≤ x ≤ 27,9
Zwischenkühler nach Anspruch 1, bei welchem unter der Annahme, dass der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, die Beziehung zwischen x und y den folgenden drei Gleichungen genügt: 4 ≤ y ≤ –0,0198x² + 0,995x – 3,34 (10) für 9 ≤ x ≤ 13,7 0,0265x² – 0,660x + 8,15 ≤ y ≤ –0,0198x² + 0,995x – 3,34 (11) für 13,7 ≤ x ≤ 22,5 0,0265x² – 0,660x + 8,15 ≤ y ≤ –0,556x + 21,5 (12) für 22,5 ≤ x ≤ 24,3
Zwischenkühler nach Anspruch 1, bei welchem unter der Annahme, dass der Rohrabstand Tp x (in mm) beträgt und die Rohrhöhe Th y (in mm) beträgt, die Beziehung zwischen x und y den folgenden drei Gleichungen genügt: 5 ≤ y ≤ –0,0380x² + 1,58x – 8,13 (13) für 11,5 ≤ x ≤ 15,9 0,0507x² – 1, 57x + 17,1 ≤ y ≤ –0,0380x² + 1,58x – 8,13 (14) für 15,9 ≤ x ≤ 17,7 0,0507x² – 1,57x + 17,1 ≤ y ≤ 8 (15) für 17,7 ≤ x ≤ 23,2
Zwischenkühler nach Anspruch 1, bei welchem die Rohre aus einem Material gebildet sind, das ausgewählt ist aus rostfreiem Stahl und Stahl, und eine Plattendicke von 0,07 bis 0,5 mm haben.
Zwischenkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem de/(S/Swa) 0,2 bis 7,5 beträgt, wenn S die Querschnittsfläche in einem Rohr ist, Swa die Gesamtfläche der dünnen Strömungspfade in einem Rohr ist, und de (in mm) der äquivalente Kreisdurchmesser eines dünnen Strömungspfades ist.
Zwischenkühler nach Anspruch 6, bei welchem de/(S/Swa) 0,3 bis 4,5 beträgt.
Zwischenkühler nach Anspruch 6, bei welchem de/(S/Swa) 0,5 bis 3,5 beträgt.
Zwischenkühler nach Anspruch 1, bei welchem die Innenrippen versetzte Rippen sind, deren Wände in einer versetzten Weise entlang der Richtung eines Ansaugluftstroms angeordnet sind, um den Strömungspfad in mehrere dünne Strömungspfade aufzuteilen.
Zwischenkühler nach Anspruch 9, bei welchem de/(S/Swa) 0,4 bis 9,5 beträgt, wenn S die Querschnittsfläche in einem Rohr ist, Swa die Gesamtfläche der dünnen Strömungspfade in einem Rohr ist, und de (in mm) der äquivalente Kreisdurchmesser eines dünnen Strömungspfades ist.
Zwischenkühler nach Anspruch 10, bei welchem de/(S/Swa) 0,6 bis 7,2 beträgt.
Zwischenkühler nach Anspruch 10, bei welchem de/(S/Swa) 0,8 bis 6,2 beträgt.