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Die Erfindung betrifft einen Kühlmitteleinlassstutzen für einen Wärmetauscher mit einem Kanal, durch den ein Kühlmittel strömt und einer Begrenzungswand, welche den Kanal radial begrenzt und eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist.
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Derartige Kühlmitteleinlassstutzen werden üblicherweise mit ihrem Ende an ein Gehäuseteil eines Wärmetauschers geschweißt, welches vom Kühlmittel durchströmt wird. Auf das gegenüberliegende Ende wird häufig ein Schlauch oder ähnliches aufgesteckt, über den das Kühlmittel zum Wärmetauscher gelangt. Dies kann beispielsweise Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors sein während der Wärmetauscher als Ladeluftkühler oder Abgaskühler eingesetzt wird, um Schadstoffemissionen zu verringern.
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Es sind verschiedene Ausführungen von Wärmetauschern mit Kühlmitteleinlassstutzen bekannt, wobei diese in der Regel als einfache Rohrverbindungen ausgeführt sind, an deren Einlassseite eine Ausbuchtung zum formschlüssigen Aufstecken eines Schlauches angeordnet ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich beim Ausströmen des Kühlmittels aus dem Kühlmitteleinlassstutzen beispielsweise in einen Kühlmittelmantel ungleichmäßige Verteilungen des Kühlmittels im Mantel ergeben, die den Wirkungsgrad zum Teil beträchtlich negativ beeinflussen. Des Weiteren entsteht bei höherer Einströmgeschwindigkeit eine Erosion an der Einlaufstelle, an der das Kühlmittel mit dieser erhöhten Geschwindigkeit auf ein inneres Gehäuseteil aufprallt. Insbesondere bei leichten Verschmutzungen des Kühlmittels führt dies zu erhöhter Erosion.
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Um diese Probleme zu vermeiden, wird in der
DE 10 2007 006 837 A1 vorgeschlagen, einen Vorsprung an der angeströmten Wand des Innengehäuses eines Wärmetauschers anzuordnen, über den das einströmende Fluid bezüglich seiner Strömungsrichtung beeinflusst wird.
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Nachteilig an einer derartigen Ausführung ist jedoch, dass die Gehäuseteile jeweils konstruktiv angepasst werden müssen und eine Nachrüstung nicht möglich ist, ohne den gesamten Wärmetauscher auszubauen. Des Weiteren ist bei ungünstiger Einströmung in den Kühlmittelmantel eine gewünschte Strömung gegebenenfalls nur durch die Anordnung einer Vielzahl von Leitstegen erreichbar.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Einströmung des Kühlmittels in den Wärmetauscher zu gewährleisten, mit der ein gleichmäßiges Durchströmen des Kühlmittelmantels mit geringem konstruktiven Aufwand einstellbar ist und eine Erosion einer Wärmetauscherwand vermieden werden kann. Insbesondere soll es möglich sein, die Einströmung zu optimieren, ohne die Konstruktion des Wärmetauschers ändern zu müssen. Ein nachträglicher Einbau sowie ein Austausch von Mitteln zur Erosionsvermeidung und Strömungsbeeinflussung soll möglich werden.
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Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.
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Demnach ist an der Begrenzungswand des Kühlmitteleinlassstutzens zumindest ein Bauteil zur Strömungsbeeinflussung befestigt. Durch diese Anordnung kann durch einfaches Austauschen des Einlassstutzens nachträglich oder wiederholt die Strömung des Kühlmittels in den Wärmetauscher beeinflusst werden. Bei neu konstruierten Wärmetauschern kann so eine optimale Einströmung zur Erreichung möglichst hoher Wirkungsgrade in Versuchen durch einfachen Austausch des Kühlmitteleinlassstutzens erzielt werden.
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Zur Vermeidung von Erosion am Innengehäuse des Wärmetauschers ist das Bauteil zur Strömungsbeeinflussung gegenüberliegend zur Auslassöffnung zumindest teilweise außerhalb der den Kanal radial begrenzenden Begrenzungswand angeordnet. Dies bedeutet, dass das aus dem Stutzen austretende Fluid auf dieses Bauteil trifft, bevor ein Kontakt zum Innengehäuse entsteht, der zu einer Erosion führen könnte.
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Vorzugsweise ist dieses Bauteil zur Strömungsbeeinflussung konzentrisch zur Auslassöffnung angeordnet und dient als Prallplatte für ausströmendes Kühlmittel. Durch diese konzentrische Anordnung wird der Bereich größter Strömungsgeschwindigkeit, der sich üblicherweise im mittleren Teil befindet, durch die Prallplatte abgedeckt, wodurch die Position größter Erosion geschützt wird.
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In einer weiteren Ausführung weist eine Projektionsfläche des Bauteils zur Strömungsbeeinflussung auf die Auslassöffnung des Kühlmitteleinlassstutzens eine größere Ausdehnung auf als die Auslassöffnung des Kühlmitteleinlassstutzens. Hierdurch wird sichergestellt, dass der gesamte unmittelbare Auftreffbereich des Kühlmittels auf dem Innengehäuse des Wärmetauschers abgedeckt und somit geschützt wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung weist die Oberfläche des Bauteils zur Strömungsbeeinflussung im Wesentlichen die Form eines Hyperboloiden auf. Durch diese Ausformung wird der Kühlmittelstrahl vollständig stetig umgelenkt, so dass auch nach dem Überströmen des Bauteils keine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Gehäusewand existiert. Somit verringert sich der Strömungswiderstand beim Einströmen in den Kühlmittelmantel und eine Erosion in Strömungsrichtung hinter dem strömungsbeeinflussenden Bauteil am Innengehäuse wird ebenfalls vermieden.
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Vorzugsweise ist das Bauteil zur Strömungsbeeinflussung über Stege mit der Begrenzungswand verbunden. Dies bietet eine sichere und stabile Verbindung der Prallplatte mit dem Kühlmittelstutzen.
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Wenn das Bauteil zur Strömungsbeeinflussung in den durch die Begrenzungswand radial begrenzten Kanal ragt und die Stege vollständig im Innern des Kanals, also radial innerhalb der Begrenzungswände angeordnet werden, kann die Strömungsbeeinflussung über eine größere Strecke stattfinden, was wiederum die Möglichkeit zur Herabsetzung des Strömungswiderstandes schafft.
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Vorteilhaft ist es, wenn mehrere Leitstege als Bauteil zur Strömungsbeeinflussung an der Begrenzungswand befestigt sind, die eine bevorzugte Ausströmrichtung oder einen bevorzugten Ausströmdrall des Kühlmittels erzeugen. Diese Leitstege können entsprechend genutzt werden, um geringe Strömungsverluste bei hohen Kühlerwirkungsgraden zu erreichen. Es ist eine Optimierung der Einströmung nur über das Bauteil des Kühlmitteleinlassstutzens möglich, welcher nachträglich ausgetauscht werden kann.
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Vorzugsweise dienen die Leitstege als Befestigungsstege für die Prallplatte, so dass keine weiteren Einbauten erforderlich sind und die Funktionen der Befestigung und der Leitung durch die gleichen Stege realisiert wird. So können auf einfache Weise die Prallplatte als auch die Leitstege gemeinsam am Kühlmitteleinlassstutzen verwirklicht werden.
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Es wird somit ein Kühlmitteleinlassstutzen geschaffen, mit dem der Strömungswiderstand im Kühlmittelfluss bei gleichzeitiger Erhöhung des Kühlerwirkungsgrades durch Optimierung der Einströmung verringert werden kann. Der Stutzen ist nachrüstbar und austauschbar, so dass die Strömungsbeeinflussung auch nachträglich am Wärmetauscher geändert werden kann. Zusätzlich wird eine Erosion eines Wärmetauschergehäuses verhindert, so dass die Lebensdauer erhöht wird. Diese Vorzüge sind kostenneutral erzielbar.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmitteleinlassstutzens ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlmitteleinlassstutzens in dreidimensionaler Darstellung.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Kühlmitteleinlassstutzen gemäß 1 in aufgeschnittener Darstellung.
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3 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kühlmitteleinlassstutzens gemäß 1 in geschnittener Darstellung.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlmitteleinlassstutzens in dreidimensionaler Darstellung.
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Der erfindungsgemäße Kühlmitteleinlassstutzen gemäß der 1 bis 3 besteht aus einem Kanal 2, aus dem das Kühlmittel in einen nicht dargestellten Kühlmittelkanal eines Wärmetauschers strömt. Der Kanal 2 wird radial von einer Begrenzungswand 4 begrenzt und weist axial gegenüberliegend eine Einlassöffnung 6 und eine Auslassöffnung 8 auf.
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Die Begrenzungswand 4 ist im Bereich der Einlassöffnung 6 erweitert ausgebildet. Diese sich über den gesamten Umfang erstreckende Erweiterung 10 dient zur besseren Befestigung eines aufgesteckten Schlauchendes, über welches das Kühlmittel in den Kühlmitteleinlassstutzen strömt.
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Im axial mittleren Bereich weist der Kühlmitteleinlassstutzen einen Flansch 12 auf, an dem eine Durchgangsbohrung 14 ausgebildet ist, durch die zur Befestigung des Kühlmitteleinlassstutzens an einem Wärmetauscher eine Schraube gesteckt wird, welche beispielsweise in ein Gewinde am Gehäuse des Wärmetauschers gedreht wird.
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Zwischen der Auslassöffnung 8 des Kühlmitteleinlassstutzens und dem Flansch 12 ist eine umlaufende Nut 16 am Außenumfang der Begrenzungswand 4 ausgebildet, welche zur Aufnahme eines nicht dargestellten Dichtringes dient, über den die Verbindung zum Kühlmittelkanal des Wärmetauschers abgedichtet wird.
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Jenseits der Auslassöffnung 8 ist eine Prallplatte 18 angeordnet, deren zur Auslassöffnung 8 gewandte Oberfläche die Form eines Hyperboloiden aufweist, also einer um ihre Achse gedrehten Hyperbel. Die untere, gerade Fläche ist im eingebauten Zustand geringfügig beabstandet zum Gehäuse des Wärmetausches angeordnet.
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Die Befestigung dieser Prallplatte 18 erfolgt über drei Befestigungsstege 20, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind und sich von der Begrenzungswand 4 radial zur Mittelachse des Kühlmitteleinlassstutzens erstrecken. Die Prallplatte 18 erstreckt sich ebenfalls konzentrisch zur Begrenzungswand 4 in den Kanal 2, der radial durch die Begrenzungswand 4 begrenzt wird, so dass die Befestigungsstege 20 im Bereich der Mittelachse auf die Prallplatte treffen und diese halten. Üblicherweise wird der Kühlmitteleinlassstutzen mit den Befestigungsstegen 20 und der Prallplatte 18 im Spritzgussverfahren einteilig hergestellt.
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Strömt Kühlmittel aus dem Kühlmitteleinlassstutzen aus, trifft dieses Kühlmittel auf der Prallplatte 18 auf und wird durch die Prallplatte 18 umgelenkt. Dabei sorgt die stetig ausgebildete Oberfläche der Prallplatte 18 für eine allmähliche Umlenkung des Kühlmittelstroms um 90°, ohne einen größeren Strömungswiderstand darzustellen. Das Kühlmittel kann von hier aus weiter in den Kühlmittelkanal des Wärmetauschers strömen, wobei der Stromfluss in der gleichen Richtung erfolgt, in der sich der Kühlmittelkanal erstreckt. Entsprechend liegt keine Geschwindigkeitskomponente des Kühlmittels vor, welche auf die Oberfläche des Wärmetauschergehäuses wirkt, so dass Erosion zuverlässig verhindert wird.
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Die Prallplatte 18 weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der Auslassöffnung 8, so dass auch ein Auftreffen des Kühlmittels bei gerader Ausströmrichtung auf das innenliegende Gehäuse ausgeschlossen wird.
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Ein alternativ ausgeführter erfindungsgemäßer Kühlmitteleinlassstutzen ist in der 4 dargestellt. Dieser unterschiedet sich von dem in den 1 bis 3 dargestellten lediglich durch die Bauteile zur Strömungsbeeinflussung. Die Stege sind hierbei als Leitstege 22 ausgebildet, die zusätzlich die Funktion von Befestigungsstegen bewirken. Es sind sechs Leitstege 22 vorgesehen, welche sich aus dem Kanal 2 über die Auslassöffnung 8 hinweg in den Kühlmittelkanal des Wärmetauschers erstrecken. Diese bewirken eine geführte Verteilung des Kühlmittels über den gesamten Umfang der Auslassöffnung 8, so dass keine bevorzugte Ausströmrichtung des Kühlmittels aufgrund vorhandener Druckdifferenzen entsteht. Durch entsprechende Ausformung der Leitstege 22 kann dem Kühlmittelstrom ein Drall aufgezwungen oder entfernt werden sowie größere Mengen des Kühlmittels in bestimmte gewünschte Richtungen geleitet werden, um beispielsweise eine vollständige Umströmung eines Innengehäuses ohne Kurzschlussströme sicherzustellen.
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Die Leitstege 22 sind zusätzlich mit einer Prallplatte 24 verbunden, welcher in vorliegender Ausführung im Wesentlichen als flache Platte ausgebildet ist.
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Diese erfindungsgemäßen Ausführungen können einfach über die Schraube auf einen Wärmetauscher aufgeschraubt und wieder entfernt werden, wenn beispielsweise ein Stutzen mit anders ausgeformten Leitrippen verwendet werden soll, um eine zusätzliche Erhöhung des Wirkungsgrades zu erhalten. Durch die vorhandenen Prallplatten wird eine Erosion des darunter liegenden Gehäuses zuverlässig verhindert, so dass deren Lebensdauer steigt. Es wird deutlich, dass die Leitrippen unterschiedlich ausgeformt werden können, je nachdem welcher Art die Strömungsbeeinflussung sein soll.
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Selbstverständlich ist der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr wird deutlich, dass eine Optimierung je nach verwendetem Einbauort und den dort vorherrschenden Bedingungen möglich ist. Denkbar ist beispielsweise auch eine nicht konzentrische Ausführung der Prallplatte, welche zum Erreichen einer Vorzugsströmung genutzt werden könnte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007006837 A1 [0004]
