-
Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Wärmeübertrager
werden im Kraftfahrzeugbereich z. B. als Kühleinrichtungen eingesetzt.
Dabei durchströmt
ein Kühlmedium,
beispielsweise Luft, ein System des Wärmeübertragers, welches im Wesentlichen
aus Rohrelementen und Rippenelementen aufgebaut ist, um ein durch
die Rohrelemente geleitetes Fluid oder Kühlmittel zu kühlen. Der
Wirkungsgrad des Wärmeübertrager
wird dabei durch das Verhältnis
von aufgenommener thermischer Energie auf der kalten Seite zu abgegebener
Energie auf der warmen Seite bestimmt, wobei ein Teil der Wärme durch Wärmedämmung verloren
geht. Die Leistungsfähigkeit
eines Wärmeübertragers
ist dann groß,
wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst
stark aufzuwärmen
und den anderen Stoffstrom möglichst
stark abzukühlen.
Hierbei werden die eingesetzten Bauteile des Wärmeübertragers, insbesondere die
Rohrelemente starken thermischen Spannungen ausgesetzt.
-
Problematisch
sind in dieser Hinsicht insbesondere Wärmeübertrager, die eine Umlenkung
des Fluidstroms in den Rohrelementen realisieren, bzw. bei denen
Hochtemperaturelemente mit Niedertemperaturelementen kombiniert werden.
Bei dieser Konfiguration wird ein Hochtemperaturfluidstrom an einem
Eintrittsstutzen an einem ersten Sammelbehälter durch einen ersten Abschnitt
mit Rohrelementen geleitet, wo er durch die zwischen den Rohrelementen
angeordneten Kühlrippen
hindurch fließende Luft
bereits gekühlt
wird. An einem Austrittsende dieser Rohrelemente wird der Fluidstrom
in einem zweiten Sammelbehälter
teilweise abgeleitet und teilweise umgelenkt. Nach der Umlenkung
tritt der bereits abgekühlte
Fluidstrom in Rohrelemente eines zweiten Abschnitts ein, um hier
einen Niedertemperaturbereich zu durchlaufen und weiter abgekühlt zu werden.
-
Bei
denen aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern mit so genannten
integrierten Kühlerblöcken ist
bei der obigen Konfiguration ein äußeres Rohrelement des ersten
Hochtemperaturabschnitts, welches dem äußeren Rohrelement des zweiten
Niedertemperaturabschnitts gegenüberliegt,
mit diesem durch eine Rippenelement verbunden.
-
Da
sehr hohe Temperaturunterschiede zwischen der an dem Rohrelement
des ersten Abschnitts vorherrschenden Temperatur und der an dem
Rohrelement des zweiten Abschnitts vorherrschenden Temperatur auftreten
können,
führt dies
zu thermischen Spannungen und somit zu Rissen an den Rohrelementen.
Die durch ein mit Luft durchströmtes
Kühlrippenelement
verbundenen Rohrelemente des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts
werden jeweilig von der das Kühlrippenelement
durchströmenden
Luft von außen
gekühlt,
wobei eine Kühlung
beider Rohrelemente erfolgt, wobei aber nicht die thermischen Spannungen
aufgrund der Temperaturdifferenz aufgehoben werden.
-
Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager
für Kraftfahrzeuge
vorzusehen, bei welchem die thermischen Spannungen zwischen Rohrelementen,
die unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, aufgehoben oder
zumindest vermindert werden.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Wärmeübertrager
mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in
den Unteransprüchen
definiert.
-
Erfindungsgemäß wird ein
Wärmeübertrager,
insbesondere ein Kühler
für ein
Kraftfahrzeug, bereitgestellt, welcher einen Block mit zumindest
einem ersten Rohrelement, zumindest einem zweiten Rohrelement und
zumindest einem von einem Kühlmedium
durchströmbaren
Rippenelement aufweist, wobei der Block einen ersten Abschnitt,
in welchem das zumindest eine erste Rohrelement angeordnet ist,
welches in einer ersten Richtung von einem Fluid durchströmbar ist,
welches eine erste Temperatur aufweist, und einen zweiten Abschnitt,
in welchem das zumindest eine zweite Rohrelement angeordnet ist,
welches in einer zweiten Richtung dem Fluid durchströmbar ist,
welches eine zweite Temperatur aufweist, umfasst.
-
Zwischen
der ersten und der zweiten Temperatur besteht eine Temperaturdifferenz.
Gemäß der Erfindung
sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt durch ein Dissipationselement
getrennt. Das Dissipationselement ersetzt das gewöhnlich zwischen
dem ersten und zweiten Rohrelement vorgesehene Kühlrippenelement und bewirkt
aufgrund der Temperaturdifferenz eine Wärmedissipation zwischen dem
ersten und zweiten Rohrelement. Dabei kühlt das Dissipationselement
das erste Rohrelement, welches z. B. in einem Hochtemperaturbereich angeordnet
ist, über
die ganze Fläche,
wobei es gleichzeitig das zweite Rohrelement, welches z. B. in einem
Niedertemperaturbereich angeordnet ist, über die ganze Fläche kühlt. Durch
den Effekt der durch das Dissipationselement bewirkten Dissipation,
dehnen sich das erste und das zweite Rohrelement in der Länge im Wesentlichen
parallel bzw. gleichartig aus und die auftretenden thermischen Spannungen
werden ausgeglichen. Dies führt
insgesamt zu einer Verlängerung
der Lebensdauer des Wärmeübertragers und
zu einer verbesserten Qualität.
Außerdem
ist es durch die erfindungsgemäße Konfiguration
möglich, einen
Wärmeübertrager
mit integriertem Hochtemperatur- und Niedertemperaturbereich zu
schaffen.
-
Vorzugsweise
ist das Dissipationselement ein Profil. Das Profil kann das Rippenelement,
welches zwischen dem ersten Rohrelement in einem Hochtemperaturbereich
und dem zweiten Rohrelement in einem Niedertemperaturbereich angeordnet ist,
auf vorteilhafte Art und Weise ersetzen.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Dissipationselement aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten hergestellt.
Dadurch wird die Dissipation der Wärme gefördert und die thermischen Spannungen
durch den erfolgten Temperaturausgleich zwischen den Rohrelementen
werden noch weiter verringert.
-
Besonders
bevorzugt ist das Dissipationselement aus Metall hergestellt.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Dissipationselement zwischen einem ersten Rohrelement des
ersten Abschnitts und einem zweiten Rohrelement des zweiten Abschnitts
angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Dissipationselement zwischen
dem letzten ersten Rohrelement des ersten Abschnitts und dem ersten
zweiten Rohrelement des zweiten Abschnitts, welche nebeneinander angeordnet
sind bzw. sich gegenüberliegen,
angeordnet.
-
In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Dissipationselement
mit dem ersten Rohrelement und dem zweiten Rohrelement verbunden,
insbesondere gelötet.
Dies schafft eine stabile und gut leitende Verbindung zwischen dem
ersten Rohrelement, dem Dissipationselement und dem zweiten Rohrelement.
-
Vorzugsweise
ist das Dissipationselement luftdicht bzw. dicht ausgebildet, so
dass es nicht von Luft bzw. einem anderen Kühlmedium durchströmbar ist.
Da das Dissipationselement im Gegensatz zu den Rippenelementen nicht
durch Luft durchströmt
wird, d. h. die Wärme
in dem Bereich des Dissipationselements nicht durch den Luftstrom
abgeführt
wird, entsteht die Dissipation zwischen dem ersten Rohrelement und
dem zweiten Rohrelement bzw. wird noch weiter verbessert. Da gemäß dieser
Ausführungsform
das erste Rohrelement nicht gekühlt
wird, wird dessen Wärme über das
Dissipationselement zu dem zweiten Rohrelement, das eine niedrigere
Temperatur aufweist, als das erste Rohrelement, geleitet und erwärmt dieses.
Gemäß dieser
Konfiguration werden unabhängig
davon, in welchen Temperaturbereichen der Wärmeübertrager arbeitet, die thermischen
Spannungen an nebeneinander liegenden Rohrelementen, die unterschiedlich
erwärmt
werden und somit zueinander unterschiedliche Temperaturen aufweisen,
ausgeglichen bzw. vermindert, da sich die von Fluiden unterschiedlicher
Temperatur durchströmten
Rohrelemente parallel bzw. gleichartig ausdehnen.
-
Gemäß noch einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der erste Abschnitt des Blocks ein Hochtemperaturabschnitt.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der zweite Abschnitt des Blocks ein Niedertemperaturabschnitt.
-
Besonders
bevorzugt ist, wenn das Kühlmittel
in den Hochtemperaturabschnitt eingeleitet wird und das zumindest
eine erste Rohrelement in der ersten Richtung durchströmt, wobei
das Kühlmittel am
Austritt aus dem zumindest einen ersten Rohrelement umgelenkt wird,
um in das zumindest eine zweite Rohrelement einzutreten und dieses
in der zweiten Richtung zu durchströmen.
-
Vorzugsweise
sind die erste Richtung und die zweite Richtung entgegengesetzt
zueinander, wobei das Kühlmittel
an dem Austritt aus dem zumindest einen ersten Rohrelement im Wesentlichen
um 180° umgelenkt
wird.
-
Auch
ist es bevorzugt, wenn der erste Abschnitt eine Vielzahl von ersten
Rohrelementen aufweist, zwischen welchen jeweils ein Rippenelement angeordnet
ist.
-
Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der zweite Abschnitt eine Vielzahl von zweiten Rohrelementen
auf, zwischen welchen jeweils ein Rippenelement angeordnet ist.
-
Vorzugsweise
ist das zumindest eine Rippenelement als Kühlrippe ausgebildet.
-
Gemäß noch einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Wärmeübertrager weiterhin zumindest
einen Sammelbehälter,
insbesondere zwei Sammelbehälter,
auf, der/die an dem Block angeordnet ist/sind.
-
Vorzugsweise
ist die erste Temperatur höher als
die zweite Temperatur. Alternativ kann jedoch auch die erste Temperatur
niedriger als die zweite Temperatur sein.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine
Ansicht eines Wärmeübertragers gemäß dem Stand
der Technik;
-
2 eine
Ansicht des Wärmeübertragers von 1 mit
Kennzeichnung der Strömungsrichtung
des Fluids;
-
3 eine
Ansicht eines Wärmeübertragers gemäß einer
Ausführungsform.
-
1 ist
eine Ansicht eines Wärmeübertragers 1 gemäß dem Stand
der Technik. Der Wärmeübertrager 1 weist
einen Block 2, welcher aus einer Vielzahl von parallelen
Rohrelementen 3', 3'', die als Flachrohre ausgebildet
sind, und einer Vielzahl von Rippenelementen 4, die als
Kühlrippen
ausgebildet sind, besteht, welche abwechselnd angeordnet sind, auf.
Die Rohrenden 5, 6 der Rohrelemente 3 münden auf
gegenüberliegenden
Stirnseiten in jeweils einen Sammelbehälter 7, 8,
wobei die oberen Rohrenden 5 in einen oberen Sammelbehälter 7 und
die unteren Rohrenden 6 in einen unteren Sammelbehälter 8 münden.
-
Darüber hinaus
weist der Wärmeübertrager 1 einen
ersten Abschnitt 9 und einen zweiten Abschnitt 10 auf,
wobei der erste Abschnitt 9 ein Hochtemperaturabschnitt
und der zweite Abschnitt 10 ein Niedertemperaturabschnitt
ist. In dem ersten Abschnitt 9 befinden sich die ersten
Rohrelemente 3' und
in dem zweiten Abschnitt 10 befinden sich die zweiten Rohrelemente 3''.
-
Der
obere Sammelbehälter 7 weist
einen Eintrittsstutzen für
ein Hochtemperaturfluid oder Kühlmittel
eines Kühlkreislaufs
auf, sowie einen Auslassstutzen für ein Niedertemperaturfluid.
In dem Sammelbehälter 7 ist
eine Trennwand 13 vorgesehen, welche entsprechend dem ersten
Abschnitt 9 und dem zweiten Abschnitt 10 des Blocks 2 angeordnet
ist, um das Hochtemperaturfluid von dem Niedertemperaturfluid getrennt
zu halten. Der untere Sammelbehälter 8 weist
dagegen lediglich einen mittig angeordneten Auslassstutzen 14 auf.
-
In
der hier dargestellten Ausführungsform gemäß dem Stand
der Technik sind der erste Abschnitt 9, durch welchen hoch
temperiertes Fluid geleitet wird, und der zweite Abschnitt 10,
durch welchen niedriger temperiertes Fluid geleitet wird, darüber hinaus
in dem Block 2 durch ein Rippenelement 4 getrennt.
Dabei liegt das letzte Rohrelement 3' des ersten Abschnitts 9 mit
einer hohen Temperatur an dem zur Kühlung mit Luft durchströmbaren Rippenelement 4 an,
welches auf seiner gegenüberliegenden Seite
an das weniger erwärmte
erste Rohrelement der zweiten Rohrelemente 3'' des
zweiten Abschnitts 10 angrenzt.
-
2 zeigt
eine Ansicht des Wärmeübertragers 1 von 1 gemäß dem Stand
der Technik, wobei die Strömungsrichtung
des Fluids durch Pfeile gekennzeichnet ist. Der Strömungsverlauf
ist dabei wie folgt. Das hoch temperierte Fluid tritt an dem Einlassstutzen 11 in
den oberen Sammelbehälter 7 des
Wärmeübertragers 1 ein
und verteilt sich darin, um in die Rohrenden 5 der ersten
Rohrelemente 3' einzutreten,
dadurch hindurchzulaufen und an den jeweiligen gegenüberliegenden
Rohrenden 6 der ersten Rohrelemente 3' wieder auszutreten.
Beim Durchlaufen der ersten Rohrelemente 3' wird das Fluid, welches eine hohe
Temperatur aufweist, durch den die Rippenelemente 4 durchströmenden und
als Kühlmedium
wirkenden Luftstrom abgekühlt.
-
Beim
Austritt aus den Rohrenden 6 gelangt das bereits abgekühlte Fluid
in den unteren Sammelbehälter 8 des
Wärmeübertragers 1,
wobei hier die Strömungsrichtung
des Fluids zunächst
um 90° umgelenkt
wird. Ein Teil des abgekühlten
Fluids tritt dann wieder aus der Austrittsöffnung 14, welche
in dem unteren Sammelbehälter 8 vorgesehen
ist, aus, und ein weiterer Teil wird um weitere 90° umgelenkt, um
an den Rohrenden 15 der zweiten Rohrelemente 3'', welche in den unteren Sammelbehälter 8 münden, in
die zweiten Rohrelemente 3'' einzutreten, durch
diese hindurch zu fließen,
um weiter durch den die Rippenelemente 4 durchströmenden Luftstrom abgekühlt zu werden,
und an den Rohrenden 16 der zweiten Rohrelemente 3'' wieder auszutreten. Hierbei fließt das Fluid
in den durch die Trennwand 13 durch den Einlassbereich
getrennten Auslassbereich des oberen Sammelbehälters 7, wo es durch
einen Auslassstutzen 12 aus diesem wieder abgeleitet wird.
-
3 zeigt
eine Ansicht eines Wärmeübertragers 1 gemäß einer
Ausführungsform.
Der Wärmeübertrager 1 und
die Strömungsführung des
Fluids bzw. Kühlmittels
entsprechen im Wesentlichen der bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Ausführungsform
gemäß dem Stand
der Technik. Jedoch ist anstelle des Rippenelements 4,
welches gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
auch zwischen dem letzten Rohrelement der ersten Rohrelemente 3' des ersten
Abschnitts 9 mit hoher Temperatur und dem ersten Rohrelement
der zweiten Rohrelemente 3'' des zweiten
Abschnitts 10 mit niedrigerer Temperatur angeordnet ist,
ein Dissipationselement 17 vorgesehen. Das Dissipationselement 17 ist
ein Profil, welches im Gegensatz zu den Rippenelementen 4 nicht
von Luft oder einem anderen Kühlmedium
durchströmbar
ist.
-
Darüber hinaus
ist das Dissipationselement 17 mit dem letzten Rohrelement
der ersten Rohrelemente 3' des
ersten Abschnitts 9 mit hoher Temperatur und dem ersten
Rohrelement der zweiten Rohrelemente 3'' des
zweiten Abschnitts 10 mit niedrigerer Temperatur auf gegenüberliegenden
Seiten mittels Löten
verbunden. Somit schafft das Dissipationselement 17 eine
luftdichte Verbindung zwischen dem ersten Abschnitt 9 und
dem zweiten Abschnitt 10. Das Dissipationselement 17 ist
aus Metall hergestellt, kann jedoch aus jeglichem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit
hergestellt werden.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn das Dissipationselement zwischen zwei Rohren angeordnet
ist, welche mit zumindest einem, vorzugsweise mit zwei Böden des
Sammelbehälters
verbunden sind.
-
Da
die durch das Dissipationselement 17 geschaffene Verbindung
zwischen den angrenzenden ersten und zweiten Rohrelementen 3', 3'' des ersten bzw. zweiten Abschnitts 9, 10 nicht
durch Luft durchströmt
wird und daher nicht gekühlt
wird, findet aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen den ersten und
zweiten Rohrelementen 3', 3'' eine Wärmedissipation statt. Die Wärme des
von einem Fluid mit einer ersten höheren Temperatur durchströmten ersten Rohrelements 3' wird auf das
zweite Rohrelement 3'' übertragen,
welches von dem bereits abgekühlten Fluid
durchströmt
wird, so dass ein Temperaturausgleich zwischen dem ersten Rohrelement 3' und dem zweiten
Rohrelement 3'' stattfindet.
Hierdurch werden die thermischen Spannungen an den aneinander angrenzenden
ersten und zweiten Rohrelementen 3', 3'',
die durch das Dissipationselement 17 verbunden sind, deutlich
reduziert, da die thermische Ausdehnung der ersten und zweiten Rohrelemente 3', 3'' durch den Temperaturausgleich
ebenfalls im Wesentlichen gleich ist.
-
Insgesamt
betrachtet kann durch die erfindungsgemäße Konfiguration ein Wärmeübertrager mit
verbesserter Qualität
und längerer
Lebensdauer vorgesehen werden.
-
- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Block
- 3'
- erstes
Rohrelement
- 3''
- zweites
Rohrelement
- 4
- Rippenelement
- 5
- Rohrende
des ersten Rohrelements an oberem Sammelbehälter
- 6
- Rohrende
des ersten Rohrelements an unterem Sammelbehälter
- 7
- oberer
Sammelbehälter
- 8
- unterer
Sammelbehälter
- 9
- erster
Abschnitt
- 10
- zweiter
Abschnitt
- 11
- Einlassstutzen
an dem oberen Sammelbehälter
- 12
- Auslassstutzen
an dem oberen Sammelbehälter
- 13
- Trennwand
- 14
- Auslassstutzen
an dem unteren Sammelbehälter
- 15
- Rohrende
des zweiten Rohrelements an unterem Sammelbehälter
- 16
- Rohrende
des zweiten Rohrelements an oberem Sammelbehälter
- 17
- Dissipationselement