DE102007008864A1

DE102007008864A1 - Wärmeübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007008864A1
Application number: DE102007008864A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Breuer
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-24
Also published as: DE102007008864B4

Abstract

Bei bekannten, im Druckgussverfahren hergestellten Wärmeübertragungsvorrichtungen besteht das Problem von abreißenden Rippen und einem nicht optimierten Wärmeübergang vom Kühlfluid zum zu kühlenden Gas. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Element, von dem aus sich Kühlrippen (4) in einen Kanal (1, 2) erstrecken, wellenförmig ausgebildet ist. Hierdurch verbessert sich deutlich die Festigkeit und der Wärmeübergang einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehreren im Druckgussverfahren hergestellten Elementen aufgebaut ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmbarer Kanal in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich zumindest von einem der Elemente aus Rippen in einen der Kanäle erstrecken.
Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise als Kühler in Verbrennungskraftmaschinen genutzt. Hier können sie beispielsweise als Ladeluftkühler oder als Abgaskühler eingesetzt werden.
Ein solcher im Druckgussverfahren hergestellter Kühler ist beispielsweise aus der DE 20 2006 009 464 U1 bekannt. Dieser Kühler besteht aus einer Außenschale, in welcher eine Wärmeübertragungsvorrichtung angeordnet ist, in deren Innern ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal ausgebildet ist, der durch eine Außenwand der Wärmeübertragungsvorrichtung von einem vom Kühlfluid durchströmten Kanal getrennt ist, wobei sich von der Wand der Wärmeübertragungsvorrichtung aus Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken.
Des Weiteren sind andere Wärmetauscher bekannt, welche aus mehreren ineinander angeordneten Schalen bestehen, wobei jeweils zumindest eine Schale existiert, von der aus sich Rippen von einer Wand in einen durchströmten Kanal erstrecken.
Diese Rippen sind in den meisten Fällen senkrecht zu der besagten Grundplatte bzw. der die Kanäle trennenden Trennwand angeordnet.
Bei der Herstellung dieser Elemente der Wärmetauscher besteht das Problem, dass beim Druckgussverfahren die einzelnen Rippen für das einströmende Material, insbesondere Aluminium, Sackgassen darstellen, wodurch in den Formen vorhandene Luft nicht von der Gießfront aus dem Rippenbereich verdrängt wird, sondern eingeschlossen wird, so dass Lufteinschlüsse im Material entstehen. Diese Inhomogenitäten im Material beeinträchtigen die Funktionsweise und Dauerhaltbarkeit eines derartigen Elementes mit Rippen. Zusätzlich wird durch die einzelnen Rippen das abkühlungsbedingte Schrumpfen des Elementes bzw. der Grundplatte nach dem Gießprozess verhindert, wodurch insbesondere randständige Rippen großen Querkräften ausgesetzt werden, welche auf die Gussform wirken. Bei der Entformung muss diese Klemmkraft überwunden werden, wodurch die Gefahr wächst, dass Rippen im Bereich der Rippenfüße abreißen und in der Gießform verbleiben. Dies führt zu Beschädigungen am hergestellten Körper und an der Form, welche nicht weiter verwendet werden kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine im Druckgussverfahren hergestellte Wärmeübertragungsvorrichtung zu schaffen, welche Rippen aufweist, wobei die genannten Probleme vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Element, von dem aus sich die Rippen in einen der Kanäle erstrecken, wellenförmig ausgebildet ist. Durch diese Wellenform des Elementes, welches in der Regel auch als Trennwand in der zusammengesetzten Wärmeübertragungsvorrichtung dient, wird die Bewegungsrichtung des flüssigen Metalls geändert, so dass die Anströmung der einzelnen Rippen deutlich verbessert wird. Auch die auftretenden Schrumpfkräfte nach dem Gießen werden durch das derartig ausgeformte Element homogen verteilt aufgenommen, wodurch die Gefahr von bei der Entformung abreißenden Rippen deutlich verringert wird.
Vorzugsweise sind die Rippen jeweils am in den Kanal ragenden Bereich des wellenförmigen Elementes angeordnet. Somit kann das flüssige Metall der Hauptbewegungsrichtung folgen und durch diese stetige Bewegung den Teil der Gießform, der die Rippe bildet, zuverlässig ausfüllen. Es wird somit tatsächlich eine Verdrängungs spülung durch das flüssige Metall erreicht, wodurch sich sowohl die Füllung der Rippen verbessert als auch Inhomogenitäten verringert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung verjüngen sich die Rippen in Erstreckungsrichtung. Somit besteht beim Rückströmen aus dem Rippenbereich eine größere zur Verfügung stehende Durchströmungsfläche, was wiederum den Gießprozess erleichtert und verbessert.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist der Übergang zwischen dem wellenförmigen Element und den Rippen im Wesentlichen stetig ausgebildet, wodurch die Festigkeit durch Vermeidung von Kerbwirkungen verbessert wird. Zusätzlich werden Gebiete unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere im Bereich des Rippenfußes vermieden, was wiederum gießtechnische Vorteile bietet.
Es wird somit eine Wärmeübertragungsvorrichtung geschaffen, welche eine deutlich verbesserte Festigkeit aufweist und zusätzlich durch eine Vergrößerung der Oberfläche zwischen Gas- und Rippenseite auch hervorragende Wärmeleiteigenschaften aufweist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung Ausschnitte zweier Elemente einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung in Seitenansicht.
Der in der Figur dargestellte Ausschnitt gehört zu einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche im Innern einen von einem zu kühlenden Gas durchströmten Kanal 1 und einen außen liegenden vom Kühlfluid durchströmbaren Kanal 2 aufweist. Diese beiden Kanäle werden durch eine Trennwand 3 voneinander getrennt, welche beispielsweise Teil eines schalenförmigen Bauteils sein kann, so dass beim Zusammenbau zweier solcher Schalen ein lediglich an zwei gegenüberliegenden Seiten offener und im Übrigen vollständig geschlossener Kanal zwischen den Schalen entsteht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind entsprechend zwei derartige Trenn wände dargestellt, von denen aus sich jeweils Rippen 4 in den vom zu kühlenden Gas durchströmbaren Kanal 1 erstrecken. Üblicherweise ist bei derartigen Wärmetauschern dieses durch die beiden Trennwände 3 und die daran angeordneten Rippen 4 hergestellte Wärmeübertragungselement von einer äußeren Schale umgeben, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist, an dem jedoch die Zu- und Abläufe für das Kühlfluid angeordnet sind. Entsprechend wird diese Kühlfluidseite in den Außenbereichen durch die Trennwände 3 der Wärmeübertragungsvorrichtung auf bekannte Weise gegenüber der Gasseite abgedichtet.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, die Trennwände 3 wellenförmig auszubilden, wobei diese Wellenform sowohl in Durchströmungsrichtung als auch senkrecht zur Durchströmungsrichtung ausgebildet sein kann, je nach dem wie die einzelnen Rippen 4 zueinander angeordnet sein sollen. Es ist jedoch jeweils darauf zu achten, dass die Rippen in den Bereich desjenigen als Trennwand 3 dienenden wellenförmigen Elementes angeordnet sind, welches sich in den Kanal erhebt. Dies bedeutet für eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit einzelnen hintereinander angeordneten Rippen welche zueinander versetzt angeordnet sind, dass in beiden senkrecht zueinander stehenden Querschnitten die Trennwände eine Wellenform aufweisen.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Rippen 4 im Wesentlichen im Querschnitt V-förmig ausgebildet sind, also sich in Erstreckungsrichtung in den Kanal 1 verjüngen.
Beim Herstellen derartiger Wärmetauscherteile im Druckgussverfahren strömt nun das flüssige Metall durch die Form von der Anströmseite zum entgegengesetzten Ende des Elementes. Es wird deutlich, dass ein weitestgehend stetiger Übergang zwischen den Rippenfüßen und den Wellenbergen gewählt ist, so dass in Fließrichtung des Metalls, welche durch die Pfeile in der Figur dargestellt ist, beim Einströmen in die Teile der Form, in denen die Rippen 4 gebildet werden, keine die Strömung behindernden Kanten vorliegen. Entsprechend kann Luft aus der Rippe 4 heraus und vor der Metallschmelze hergeschoben werden. Aufgrund dieser genannten Strömungsrichtung wird in aller Regel zunächst die Rippe 4 gefüllt, bevor sich das Metall in entgegengesetzter Richtung wieder zur Trennwand 3 bewegt. Zu diesem Zeitpunkt ist der die Trennwand 3 bildende Bereich des Elementes nicht vollständig mit flüssi gem Metall gefüllt, so dass weiterhin eine weitestgehend stetige Richtungsumlenkung der Metallschmelze über das Wellental bis in den nächsten Rippenberg und dort zur nächsten Rippe 4 erfolgen kann, ohne dass Luft in durch das Metall bereits geschlossene Bereiche gedrückt wird.
Selbstverständlich können sich die Rippen 4 einer solchen Wärmeübertragungsvorrichtung über beliebige Längen oder Breiten im Kanal erstrecken.
Durch diese gleichmäßig geführte Bewegung der Metallschmelze beim Druckgußprozeß werden somit Lufteinschlüsse im Druckgussteil weitestgehend verhindert und somit die Dauerhaltbarkeit erhöht. Es wird deutlich, dass je nach erforderlichen Wärmeübergang und Strömungswiderstand die Rippen sowohl in Strömungsrichtung als auch senkrecht zur Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet werden können. Eine entsprechende Wellenform kann selbstverständlich auch an der Trennwand verwirklicht werden.
Auch eine Verbesserung des Wärmeübergangs durch eine derartige Ausführungsform ist gegeben, da die Rippenfüße weiter in den vom zu kühlenden Gas durchströmbaren Kanal ragen und somit der Abstand zum Kühlfluid in diesen Bereichen verringert wird. Zusätzlich wird die Oberfläche der Grundfläche der Trennwand sowohl gas- als auch kühlfluidseitig vergrößert, wodurch wiederum mehr Wärme übertragen werden kann. Entsprechend erhöht sich auch der Wärmeübergangskoeffizient in diesem Bereich.
Des Weiteren erhöht sich aufgrund des durch die Wellenform vergrößerten Flächenträgheitsmomentes die Festigkeit der Trennwand, so dass diese gegebenenfalls dünner ausgeführt werden kann, wodurch Gewichtsvorteile erzielbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202006009464 U1 [0003]

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehren im Druckgussverfahren hergestellten Elementen aufgebaut ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmbarer Kanal in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich zumindest von einem der Elemente aus Rippen in einen der Kanäle erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3), von dem aus sich die Rippen (4) in einen der Kanäle (1, 2) erstrecken, wellenförmig ausgebildet ist.
Wärmeübertragungsrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (4) jeweils am in den Kanal (1, 2) ragenden Bereich des wellenförmigen Elementes (3) angeordnet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen (4) in Erstreckungsrichtung verjüngen.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen dem wellenförmigen Element (3) und den Rippen (4) im Wesentlichen stetig ausgebildet ist.