DE102007033177A1

DE102007033177A1 - Kühlflüssigkeitskühler

Info

Publication number: DE102007033177A1
Application number: DE102007033177A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr.-Ing. Opferkuch; Jan Dipl.-Ing. Böbel; Axel Dipl.-Ing. Fezer; Klaus Dipl.-Ing. Mohrlock; Ulrich Dipl.-Ing. Schäffer
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-01-22
Also published as: CN101755184B; CN101755184A; EP2047198A1; WO2009010155A1; US20100218926A1; BRPI0813528B1; BRPI0813528A2; EP2047198B1; US8522862B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlflüssigkeitskühler für Kraftfahrzeuge mit einem gelöteten Kühlnetz (1) aus Flachrohren (101) und Rippen (102), hergestellt aus sehr dünnen Aluminiumblechen (a, b, c), und mit an den Enden der Flachrohre (101) angeordneten Sammel- bzw. Umlenkkästen (3) für die in den Flachrohren (101) strömende Kühlflüssigkeit, die mittel Kühlluft, die durch die Rippen (102) strömt, gekühlt wird. Der Kühlflüssigkeitskühler besitzt eine hervorragende Kühlleistung und ein geringes Gewicht. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass jedes Flachrohr (101) aus wenigstens zwei umgeformten Blechstreifen (a, b, c) besteht, wobei wenigstens der eine Blechstreifen (a, b) die Wand des Flachrohres bildet und der andere Blechstreifen einen gewellten, Kanäle (10) bildenden Inneneinsatz (c) in demselben darstellt, und dass das Verhältnis des Verengungsfaktors auf der Kühlflüssigkeitsseite zum Verengungsfaktor auf der Kühlluftseite etwa im Bereich zwischen 0,20 bis 0,44 liegt, wobei der hydraulische Durchmesser auf der Kühlflüssigkeitsseite etwa im Bereich zwischen 0,8 bis 1,5 mm liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlflüssigkeitskühler für Kraftfahrzeuge mit einem gelöteten Kühlnetz aus Flachrohren und Rippen, hergestellt aus sehr dünnen Aluminiumblechen, und mit an den Enden der Flachrohre angeordneten Sammel – bzw. Umlenkkästen für die in den Flachrohren strömende Kühlflüssigkeit, die mittels Kühlluft, die durch die Rippen strömt, gekühlt wird.
Der einleitend beschriebene Kühlflüssigkeitskühler stellt den seit Jahren geltenden Standard bei solchen Wärmeübertragern dar. Mit der weiter unten beschriebenen Erfindung soll dieser Standard nicht grundsätzlich verändert sondern vielmehr in verschiedener Hinsicht optimiert werden.
Aus dem Stand der Technik zur Kühlung des Antriebsstranges von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren sind Kompaktwärmeübertrager aus Flachrohren und Jalousielamellen bekannt. Diese sind in der Lage, auf kleinstem Bauraum höchste Kühlleistungen zu erzielen. Neben einer hohen volumenbezogenen Leistungsdichte sind aber auch ein möglichst geringer Druckverlust auf der Kühlflüssigkeitsseite und ein geringes Gewicht das Ziel einer Optimierung. Gleichzeitig müssen aus Festigkeitsgründen, insbesondere auf Grund thermomechanischer Belastungen sowie durch die Belastungen des Kühlnetzes durch Druck aus dem Kühlsystem des Fahrzeugs, die Mindestwanddicken, insbesondere der Flachrohre so gewählt werden, dass dieselben den anderen Zielen, wie z. B. der Gewichtsreduzierung und den möglichst kleinen Querschnittsverengungen auf der Kühlflüssigkeitsseite und der Kühlluftseite (Kompaktheit) bei geringem Druckverlust, nicht signifikant entgegenwirken. Beim Stand der Technik besitzen die Flachrohre oftmals keine oder nur 1 bis 2 Innenabstützungen. Die Rohrhöhen liegen im Bereich von 1,3 mm bis 2,0 mm. Aus Festigkeits- und Korrosionsgründen werden gegenwärtig Wanddicken größer 0,20 mm eingesetzt. Für das hydraulische Verhalten ist u. a. der hydraulische Durchmesser (4 × durchströmte Fläche/benetzter Umfang) eine charakteristische Größe. Bei den genannten Parametern der Rohre ohne Inneneinsatz ergeben sich typischerweise auf der Kühlflüssigkeitsseite hydraulische Durchmesser von 1,3 mm bis 3,0 mm. Zusammen mit den Lamellen mittypischen Höhen von 5,1 mm bis 9,5 mm und Wanddicken im Bereich 60 μm bis 120 μm ergibt sich auf der Kühlflüssigkeitsseite ein Verengungsfaktor (Verhältnis von durchströmter Fläche zu Stirnfläche) im Bereich von 0,05 bis 0,28.
Es ist weiter bekannt, dass mit Hilfe von Inneneinsätzen die Beständigkeit der Flachrohre gegenüber Innendruck und thermo-mechanischer Belastung signifikant verbes sert werden kann. Das Problem ist allerdings, dass bei Flachrohren mit Inneneinsätzen üblicherweise der hydraulische Durchmesser deutlich kleiner ist als bei Flachrohren ohne Inneneinsätzen, wodurch der Druckverlust ansteigt.
Ein Kühlflüssigkeitskühler, der bis auf ein Merkmal alle anderen Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1 aufweist, ist aus der US 4 332 293 bekannt. Die Flachrohre bestehen dort aus Messing und die Rippen aus Kupfer. Dieser Kühlflüssigkeitskühler ist deshalb zu schwer und zu teuer. Ähnliches gilt für den Kühlflüssigkeitskühler, der aus US 5 329 988 bekannt ist. Ein weiterer Kühlflüssigkeitskühler ist aus US 4 693 307 bekannt. Darin wird eine Lösung vorgestellt, die durch spezielle Ausbildung der Rippen den kühlluftseitigen Druckverlust begrenzt.
Die Ausbildung der verwendeten Flachrohre war bei Kühlflüssigkeitskühlern scheinbar bisher nicht von besonderem Interesse, denn in den angegebenen Quellen sind Flachrohre ohne irgendwelche Besonderheiten gezeigt und beschrieben worden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines kostengünstigen Kühlflüssigkeitskühlers für Kraftfahrzeuge, dessen Eigenschaften wie insbesondere hohe Wärmeübertragungsleistung bei vergleichsweise niedrigem Gewicht den zukünftigen Forderungen der Anwender in mehrfacher Hinsicht gewachsen sein sollen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe stellt sich bei einem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeten Kühlflüssigkeitskühler durch dessen Ausgestaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen desselben Anspruchs ein.
Jedes Flachrohr besteht aus wenigstens zwei umgeformten Blechstreifen, wobei wenigstens einer der Blechstreifen die Wand des Flachrohres bildet und ein anderer Blechstreifen einen gewellten, Kanäle bildenden Inneneinsatz in demselben darstellt. Das Verhältnis des Verengungsfaktors auf der Kühlflüssigkeitsseite zum Verengungsfaktor auf der Kühlluftseite liegt etwa im Bereich zwischen 0,20 bis 0,44. Der hydraulische Durchmesser auf der Kühlflüssigkeitsseite liegt etwa im Bereich zwischen 0,8 bis 1,5 mm. Die Erfinder haben festgestellt, dass ein mit diesen Merkmalen ausgestatteter Kühlflüssigkeitskühler einen vertretbaren Druckverlust bei ausgesprochen guter Wärmeübertragungsleistung aufweist. Insbesondere vorteilhaft ist die pro Gewichtseinheit erzielte Leistung, das heißt, der Kühlflüssigkeitskühler weist ein wesentlich geringeres Gewicht auf. Der Inneneinsatz sorgt für entsprechend hohe Widerstandsfähigkeit, insbesondere gegen Innendruck.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass jedes Flachrohr aus drei umgeformten Blechstreifen besteht, wobei zwei Blechstreifen die Wand des Flachrohres bilden und der dritte Blechstreifen den gewellten, Kanäle bildenden Inneneinsatz in demselben darstellt. Konkret ist vorgesehen, dass die Wanddicke des Flachrohres im Bereich von 0,10–0,20 mm liegt. Die Dicke des Inneneinsatzes liegt im Bereich von 0,03–0,10 mm. Weil der Inneneinsatz aus dünnerem Blech hergestellt werden kann, wird die Möglichkeit der Gewichtsreduzierung erweitert, ohne die Festigkeit zu vernachlässigen.
Auf der Kühlflüssigkeitsseite liegt der Verengungsfaktor in einem Bereich zwischen 0,15 und 0,28. Auf der Kühlluftseite liegt der Verengungsfaktor hingegen in einem Bereich zwischen 0,63 und 0,76.
Der Verengungsfaktor wird berechnet als Verhältnis der durchströmten Fläche zur gesamten Stirnfläche F der jeweiligen Medienseite.
Der hydraulische Durchmesser d_h wird berechnet aus d_h = 4 × A/U. A ist die durchströmte Fläche. U ist der benetzte Umfang der durchströmten Fläche. Weitere Merkmale befinden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung wird im Anschluss in einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In dieser Beschreibung sind weitere Merkmale und deren Vorteile aufgeführt, die sich später möglicherweise als bedeutsam herausstellen können.
Die 1 zeigt eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühler. Die 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Flachrohr des erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers.
Die 3 und 4 zeigen Ausschnitte aus dem Kühlnetz des erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers.
Die 5–11 zeigen Diagramme, die den Unterschied zwischen den Flachrohren des erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers und Flachrohren von herkömmlichen Kühlflüssigkeitskühlern in mehrfacher Hinsicht aufzeigen.
Die 12 zeigt ein anderes Flachrohr eines anderen erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers.
Die 5 stellt Auswertungen umfangreicher FEM-Untersuchungen, die von den Erfindern ausgeführt wurden, dar. Die 5 verdeutlicht, dass die Flachrohre 101 des erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers wegen ihres Inneneinsatzes c, der aus einem Blechstreifen hergestellt wird, der etwa 0,03–0,10 mm dick ist wesentlich leichter ist (Ordinate) als herkömmliche Flachrohre bzw. Kühlflüssigkeitskühler. Gleichzeitig können sie höheren Innendrücken widerstehen (Abszisse). Bezüglich der Innendruckstabilität erweist sich auch die Überlappung der Blechstreifen a, b, in den Schmalseiten S der Flachrohre 101, worauf weiter unten näher eingegangen wird.
Die 6 und 7 repräsentieren die Auswertung umfangreicher thermo-hydraulischer Berechnungen. Die 6 macht deutlich, dass erfindungsgemäße Kühlflüssigkeitskühler mit solchen Flachrohren 101, bei etwa identischem Druckverlust eine deutlich höhere spezifische Kühlleistung aufweisen als der Stand der Technik. Die obere Ergebniswolke stellt die erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühler dar, die darunter den Stand der Technik. Die 7 lässt ein identische Aussage zu, wobei im Unterschied zur 6 in der 7 auf der Abszisse der Druckverlust in der Kühlluft betrachtet wurde. Für die spezifische Kühlleistung wird die Kühlleistung auf die Eintrittstemperaturdifferenz ETD und die auf Masse des Kühlnetzes bezogen. Der Betriebspunkt lag bei einem Kühlflüssigkeitsstrom von 160 kg/(m²s) und bei einem Kühlluftstrom von 8,0 kg/(m²s). Die untersuchten Kühlnetzabmessungen lagen bei 600 mm Flachrohrlänge, 445 mm Netzbreite und 32 mm Netztiefe.
In der 8 wird der hydraulische Durchmesser auf der Kühlflüssigkeitsseite, also der Flachrohre 1, auf der Abszisse, dem Verengungsfaktor auf der Kühlflüssigkeitsseite, auf der Ordinate, gegenübergestellt. In den Figuren wurde „Kühlmittel" angegeben, womit in diesem Fall die Kühlflüssigkeit gemeint ist. Die linke Wolke mit Ergebnissen zeigt die Erfindung und die rechte Ergebniswolke stellt Untersuchungen aus dem Stand der Technik dar. Es ist aus der Darstellung der Schluss zu ziehen, dass die hydraulischen Durchmesser in den Flachrohren 101 des erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers grundsätzlich kleiner sind als bei üblichen Kühlflüssigkeitskühlern. Die Erfinder haben durch eine thermo-hydraulische Optimierungsrechnung festgestellt, dass sich bei den gezeigten Flachrohren 101 mit Inneneinsatz c mit hydraulischen Durchmessern im Bereich zwischen 0,8 mm und 1,5 mm und mit einem Verengungsfaktor auf der Kühlflüssigkeitsseite im Bereich von 0,15–0,28 die höchsten gewichtsspezifischen und auch volumenspezifischen Kühlleistungen bei gleichzeitig geringem kühlmittelseitigem Druckverlust erreichen lassen. Die vorteilhaften Grenzwerte wurden mittels gestrichelter Linien eingetragen.
In der 9 wurde der Verengungsfaktor auf der Kühlluftseite dem hydraulischen Durchmesser gegenübergestellt.
In der 10 betrachtet man nun das Verhältnis der beiden Verengungsfaktoren auf der Ordinate gegenüber den hydraulischen Durchmessern auf der Kühlflüssigkeitsseite (Abszisse). Es wurde ein Optimum bezüglich kompakter Ausbildung, Leichtbau und Leistungsfähigkeit festgestellt, wenn der hydraulische Durchmesser etwa zwischen 0,8 und 1,5 mm angesiedelt ist und das erwähnte Verhältnis im Bereich zwischen 0,20 und 0,44 liegt.
Die 11 soll zeigen, dass Flachrohre 11, deren Inneneinsätze c eine Teilung T (2) zwischen 1, 2 und 3, 5 mm aufweisen, bei einer Rohrhöhe h im Bereich zwischen 1,1 mm und etwa 2,0 mm in Bezug auf die oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften besonders häufig aufgetreten sind.
Die 1 zeigt eine Frontansicht des erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers. Die von Kühlluft angeströmte Fläche des Kühlnetzes wurde mit einer gestrichelten Linie eingerahmt. Diese Fläche F ist die Stirnfläche, die zur Bestimmung des Verengungsfaktors auf der Kühlluftseite herangezogen wird. Im Zähler steht dann die Summe der Flächen, die von der Kühlluft durchströmt werden, welche die zur Kühlluft gerichteten Flächen aller Rippen 102 sind, mit anderen Worten, die Stirnfläche F abzüglich der Flächen, die von den Schmalseiten aller Flachrohre 101 des Kühlnetzes belegt werden.
In der 2 wurde eines der Flachrohre 1 des Kühlflüssigkeitskühlers im Querschnitt gezeigt. Die Flachrohrhöhe h multipliziert mit der Flachrohrlänge und mit der Anzahl der Flachrohre 1 ergibt die vorstehend gemeinte Fläche der Schmalseiten S. Das Flachrohr aus 2 wird aus drei endlosen Blechstreifen hergestellt. Zwei mit bogenartigen Rändern gewalzte Wandteile sind identisch ausgebildet, jedoch „seitenverkehrt" angeordnet, wobei der eine Rand des einen Teils den einen Rand des anderen Teils umgreift und der andere Rand des einen Teils vom anderen Rand des anderen Teils umgriffen ist. Der Inneneinsatz wird zwischen den beiden Wandteilen eingeführt.
Die 3 und 4 zeigen einen Ausschnitt aus dem Kühlnetz 1, bestehend aus Flachrohren 101 und Rippen 102. Die Rippen 102 sind so genannte Jalousie-Rippen 102, die Schnitte in den Rippenflanken aufweisen. Die Schnitte sind in 3 und 4 durch die zahlreichen parallelen Linie angedeutet worden. Die Rippenhöhe H wurde zwischen 3 und 8 mm festgelegt, wobei für Einsätze im PKW-Bereich 3–5,2 mm günstiger sind. Beispielsweise bei Nutzfahrzeugen können Rippenhöhen bis 8 mm eingesetzt werden. Auch dort wurde die Fläche F mit einer Strichlinie angedeutet, die zur Bestimmung des kühlflüssigkeitsseitigen Verengungsfaktors herangezogen wird. Diese Fläche F entspricht etwa der Fläche die vom Sammelkasten 3 außen umfasst ist. Die Summe der von den Flachrohrquerschnitten belegten Flächen wird ins Verhältnis zur Fläche F gesetzt und ergibt den Verengungsfaktor auf der Kühlflüssigkeitsseite. Als vorteilhaftes Ausbildungsmerkmal der Flachrohre 101 haben sich auch deren ebenen, das heißt, unverformten Breitseiten B erwiesen, die mit den Jalousie-Rippen 102 perfekte Lötverbindungen zulassen, welche zur Erreichung hoher Wärmeübertragungsleistungen spürbar beitragen.
Die 12 zeigt ein anderes Flachrohr des erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitskühlers, das aus lediglich zwei Blechstreifen a, c hergestellt wird. Die Figur zeigt auch einige Herstellungsschritte und ganz unten das fertige Flachrohr 101. In dem einen endlosen Blechstreifen a, der die Wand des Flachrohres darstellt, wird eine Faltung eingearbeitet. In der Faltung wird eine Biegung B ausgeführt, die zu der einen Schmalseite S führt. Dieser Blechstreifen a besitzt eine Dicke von 0,12 mm. Der den Inneneinsatz c bildende Blechstreifen c ist etwa 0,09 mm dick. Er wird gewellt und mit seinem einen Längsrand in der erwähnten Biegung B innen angelegt. Das Flachrohr wird geschlossen, wobei die zweite Schmalseite S durch Ineinanderlegen der umgeformten Längsränder des einen Blechstreifens a ausgebildet wird. Alle Flachrohre haben den Vorteil, dass ihre Schmalseiten S trotz der geringen Blechdicken sehr stabil sind, wie die beiden 2 und 12 zeigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4332293 [0005]
- US 5329988 [0005]
- US 4693307 [0005]

Claims

Kühlflüssigkeitskühler für Kraftfahrzeuge mit einem gelöteten Kühlnetz (1) aus Flachrohren (101) und Rippen (102), hergestellt aus sehr dünnen Aluminiumblechen (a, b, c), und mit an den Enden der Flachrohre (101) angeordneten Sammel – bzw. Umlenkkästen (3) für die in den Flachrohren (101) strömende Kühlflüssigkeit, die mittels Kühlluft, die durch die Rippen (102) strömt, gekühlt wird, gekennzeichnet dadurch, dass jedes Flachrohr (101) aus wenigstens zwei umgeformten Blechstreifen (a, b, c) besteht, wobei wenigstens der eine Blechstreifen (a, b) die Wand des Flachrohres bildet und der andere Blechstreifen einen gewellten, Kanäle (10) bildenden, Inneneinsatz (c) in demselben darstellt, und dass das Verhältnis des Verengungsfaktors auf der Kühlflüssigkeitsseite zum Verengungsfaktor auf der Kühlluftseite etwa im Bereich zwischen 0,20 bis 0,44 liegt, wobei der hydraulische Durchmesser auf der Kühlflüssigkeitsseite etwa im Bereich zwischen 0,8 bis 1,5 mm liegt.
Kühlflüssigkeitskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Flachrohr (1) aus drei umgeformten Blechstreifen (a, b, c) besteht, wobei zwei Blechstreifen (a, b) die Wand des Flachrohres bilden und der dritte Blechstreifen (c) den gewellten Inneneinsatz in demselben darstellt.
Kühlflüssigkeitskühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (d) des Flachrohres im Bereich von 0,10–0,25 mm liegt und dass die Dicke des Inneneinsatzes (c) im Bereich von 0,03–0,10 mm liegt.
Kühlflüssigkeitskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verengungsfaktor auf der Kühlflüssigkeitsseite in einem bevorzugten Bereich zwischen 0,15 und 0,28 liegt.
Kühlflüssigkeitskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verengungsfaktor auf der Kühlluftseite in einem bevorzugten Bereich zwischen 0,63 und 0,76 liegt.
Kühlflüssigkeitskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Rippen (2) nicht größer ist als 0,08 mm, wobei die Höhe (H) der Rippen im Bereich von 3,0–8,0 mm liegt.
Kühlflüssigkeitskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wandteile (a, b) des Flachrohrs (101) identisch ausgebildet sind, wobei sie einen Längsrand mit einem größeren Bogen und einen zweiten Längsrand mit einem kleineren Bogen aufweisen, wobei die Wandteile (a, b) seitenverkehrt zueinander angeordnet sind, dass die beiden parallel laufenden Wandteile zusammengeführt werden, wobei der gewellte Inneneinsatz (c) zwischen die beiden Wandteile (a, b) eingeführt wird, wobei die Wandteile an ihren Bögen in Eingriff gebracht werden, wobei der größere Bogen des einen Teils den kleineren Bogen des anderen Teils umgreift und der kleinere Bogen des einen Teils vom größeren Bogen des anderen Teils umgriffen ist.