DE102007008864B4

DE102007008864B4 - Wärmeübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007008864B4
Application number: DE102007008864A
Authority: DE
Inventors: Dr. Breuer Michael
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2027-02-24
Also published as: DE102007008864A1

Abstract

Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehreren im Druckgussverfahren hergestellten Elementen (3) aufgebaut ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal (1) und zumindest ein von einem Kühfluid durchströmter Kanal (2) in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich zumindest von einem der Elemente (3), welches als Trennwand ausgebildet ist, Rippen (4) in einen der Kanäle (1, 2) erstrecken, welche versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Trennwand (3) sowohl in Durchströmungsrichtung als auch senkrecht zur Durchströmungsrichtung wellenförmig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung.
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 oder der DE 10 2005 045 103 B3 bekannt. Diese Kühler bestehen 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.
Der aus der DE 10 2005 045 103 B3 bekannte Wärmetauscher weist nebeneinander und hintereinander angeordnete stiftförmige Rippen auf, an deren Rippenfüßen Einbuchtungen ausgebildet sind.
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 durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung 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, welches als Trennwand ausgebildet ist, Rippen in einen der Kanäle erstrecken, welche versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Trennwand sowohl in Durchströmungsrichtung als auch senkrecht zur Durchströmungsrichtung wellenförmig ausgebildet ist, 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 Verdrängungsspülung 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 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 Trennwände 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.
Es ist 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 flüssigem 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.

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehreren im Druckgussverfahren hergestellten Elementen (3) aufgebaut ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal (1) und zumindest ein von einem Kühfluid durchströmter Kanal (2) in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich zumindest von einem der Elemente (3), welches als Trennwand ausgebildet ist, Rippen (4) in einen der Kanäle (1, 2) erstrecken, welche versetzt zueinander angeordnet sind, wobei die Trennwand (3) sowohl in Durchströmungsrichtung als auch senkrecht zur Durchströmungsrichtung 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.