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Die Erfindung betrifft einen kombinierten Wärmeübertrager, umfassend mehrere rohrähnliche Elemente zur Führung eines ersten Mediums in ihrem Innenraum, wobei ein zweites Medium die rohrähnlichen Elemente von außen umströmt sowie ein Verfahren zur Herstellung des kombinierten Wärmeübertragers.
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In Kraftfahrzeugen ist es üblich Abgaskühler einzusetzen, welche einen von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Abgasteilstrom kühlen und ihn wieder der Ansaugung des Verbrennungsmotors zuführen. Gleichzeitig werden Ladeluftkühler vorgesehen, die die Verbrennungsluft eines Verbrennungsmotors abkühlen, um die Zylinderfüllung zu erhöhen und damit die Motorleistung zu steigern. Beim Abgaskühler als auch beim Ladeluftkühler handelt es sich um sogenannte Wärmeübertrager, welche als Einzelkomponenten aufgebaut sind und in das Fahrzeugsystem integriert werden müssen. In beiden Fällen werden die gasförmigen Medien, wie Abgas bzw. die Verbrennungsluft durch ein Kühlmedium gekühlt, welches durch den jeweiligen Abgaskühler bzw. den Ladeluftkühler geführt ist. Die Verwendung von zwei getrennten Systemen als Abgaskühler bzw. Ladeluftkühler erfordert einen hohen Integrationsaufwand mit verschiedenen Schnittstellen, zusätzlichen Leitungen und Verschraubungen. Das gekühlte Abgas einerseits und die gekühlte Ladeluft andererseits werden dem Saugrohr des Verbrennungsmotors getrennt zugeführt, wodurch eine ungleichmäßige inhomogene Verteilung auf die einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors erfolgt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmeübertrager anzugeben, welcher einfach in das Fahrzeug zu integrieren ist und kostengünstig herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die rohrähnlichen Elemente doppelwandig ausgebildet sind, wobei in dem, durch die doppelwandige Ausbildung gebildeten Zwischenraum der rohrähnlichen Elemente ein drittes Medium geführt ist. Dies hat den Vorteil, dass Abgaskühler und Ladeluftkühler in nur einem Wärmeübertrager realisiert werden können, wobei der nur eine Wärmeübertrager drei Medien beinhaltet. Mit nur einem Kühlmittel werden dabei Abgas als auch Ladeluft des Verbrennungsmotors gekühlt. Ein solcher Wärmeübertrager ist nicht nur funktionsoptimiert, sondern auch kostengünstig im Aufbau. Die Abgas- und die Ladeluftkühlung werden in einem integrierten Kombinationswärmeübertrager verwirklicht, weshalb im Kraftfahrzeug nur Bauraum für diese eine Komponente benötigt wird.
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Vorteilhafterweise ist der Zwischenraum zur Ausbildung eines ersten Strömungskanals für das dritte, flüssige Medium geschlossen ausgebildet, wobei der Kanal insbesondere einen Anschluss für die Zufuhr oder Abfuhr des dritten, flüssigen Mediums aufweist. Dieser Zwischenraum, welcher durch die doppelwandigen, rohrähnlichen Elemente ausgebildet wird, eignet sich zur Aufnahme des Kühlmediums, welches gleichzeitig sowohl das Abgas als erstes gasförmiges Medium und die Ladeluft als zweites gasförmiges Medium vorteilhaft kühlt. Die Anschlüsse für die Zufuhr oder Abfuhr des dritten flüssigen Mediums sind dabei variabel in ihrer Gestaltung, so dass beim Einsatz dieses kombinierten Wärmeübertragers diese Anschlüsse dem vorhandenen Bauraum im Kraftfahrzeug angepasst werden können.
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In einer Ausgestaltung bilden die rohrähnlichen Elemente und ein, die rohrähnlichen Elemente umschließendes Gehäuse einen zweiten Strömungskanal für das zweite, vorzugsweise gasförmige Medium. Dabei wird auch der Innenraum des Gehäuses des kombinierten Wärmeübertragers vollständig zur Erfüllung der Funktion des Wärmeübertragers ausgenutzt. Der Verzicht auf einen Leerraum führt zu einer optimalen Ausnutzung des Wärmeübertragers.
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In einer Variante sind die rohrähnlichen Elemente zur Ausbildung der zweiten Strömungskanäle zu einander beabstandet und über- und/oder nebeneinander gelagert. Durch diese Anordnung wird der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers zur Kühlung der gasförmigen Medien erhöht, da die gasförmigen Medien durch diese Anordnung mit einer großen Oberfläche an den das Kühlmittel enthaltenden Zwischenräumen des Wärmeübertragers vorbei geführt werden.
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Ferner sind in einer weiteren Ausgestaltung in den zweiten Strömungskanälen zwischen den rohrähnlichen Elementen Wellrippen zur Kühlung des ersten gasförmigen Mediums angeordnet. Mittels der verwendeten Wellrippen wird die Oberfläche vergrößert, an welcher die Ladeluft, die durch diese Strömungskanäle hindurch strömt, die Wärme an das Kühlmittel abgeben kann. Somit wird einer verbesserten Kühlung der Ladeluft erreicht.
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Alternativ sind in den, von jedem doppelwandigen rohrähnlichen Element eingeschlossenen Innenraum Wellrippen zur Kühlung des ersten gasförmigen Mediums angeordnet. In dieser Ausführung durchströmt die Ladeluft die Innenräume des Wärmeübertragers, während das Abgas die Außenseiten der rohrförmigen Elemente umgibt. Somit lassen sich die Anschlüsse für die Ladeluft als auch für das Abgas je nach dem im jeweiligen Kraftfahrzeug vorhandenen Konzept unterschiedlich gestalten und entsprechend anpassen. Eine konstruktive Veränderung des Wärmeübertragers ist dabei aber nicht notwendig.
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In einer Weiterbildung sind in einer Ebene mehrere doppelwandige rohrähnliche Elemente neben einander liegend angeordnet. Durch die Verwendung mehrerer neben einander liegender doppelwandiger Elemente wird der Austausch der Temperatur der erwärmten Ladeluft bzw. des erwärmten Abgases mit dem Kühlmittel vergrößert, was den Wirkungsgrad des Wärmeübertragers erhöht.
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In einer Alternative erstreckt sich ein einzelnes doppelwandiges rohrähnliches Element über die Ebene innerhalb des Gehäuses. Bei dieser konstruktiv einfach gestalteten Ausführung wird trotzdem ausreichend Fläche zum Wärmeaustausch der erwärmten gasförmigen Medien mit dem Kühlmittel zur Verfügung gestellt. Abgasseitige Anschlüsse lassen sich dabei variabel an dem Wärmeübertrager gestalten.
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Eine besonders einfache Gestaltung des Wärmeübertragers wird erreicht, wenn die doppelwandigen, rohrähnlichen Elemente einen annähernd rechteckähnlichen Querschnitt aufweisen. Ein solcher rechteckähnlicher Querschnitt lässt sich insbesondere einfach durch mehrere extrudierte Rohre herstellen. Der Innenraum der doppelwandigen rohrähnlichen Elemente lässt sich für den Transport eines gasförmigen Mediums verwenden, während der Zwischenraum der doppelwandigen rohrähnlichen Elemente für den Transport des flüssigen Mediums vorgesehen ist. Dabei lassen sich sowohl gasdichte als auch flüssigkeitsdichte Verbindungen einfach durch Verlöten mehrere Rohre zu den doppelwandigen rohrähnlichen Elementen herstellen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kombinierten Wärmeübertragers. Um den Bauraum, welcher in einem Kraftfahrzeug für Wärmeübertrager zu Verfügung steht, optimal zu nutzen, werden mehrere, ein doppelwandiges Profil aufweisende Rohre beidseitig stufig abgeschnitten, wobei die innen liegenden Wände des doppelwandigen Profils überstehen und nach einer Kassettierung der Rohre mit Wellrippen ein Wellrippen-Rohrpaket entsteht, wobei die Enden der außen liegenden Wände zweier nebeneinander liegender Rohre mit jeweils einem ersten Boden beidseitig verschlossen werden, wobei der erste Boden Öffnungen aufweist, durch welche die längeren, innen liegenden Wände eines Rohres hindurch geführt werden und anschließend die Enden der innen liegenden Wände jeweils zweier nebeneinander liegender Rohre beidseitig mit jeweils einem zweiten Boden verpresst werden, dessen Ausnehmungen die innen liegenden Wände abschließen und anschließend ein Gehäuse um die zweiten Böden angeordnet wird.
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Diese Vorgehensweise erlaubt die Herstellung eines sowohl gas- als auch flüssigkeitsdichten Wärmeübertragers. Die Verwendung von extrudierten Rohren bietet einen kostengünstigen Aufbau des Wärmeübertragers mit einer einfachen Gestaltung von gasführenden und flüssigkeitsführenden Strömungskanälen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kombinierten Wärmeübertragers,
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2: ein zweites Ausführungsbeispiel für einen kombinierten Wärmeübertrager,
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3: Prinzipskizze zur Herstellung eines kombinierten Wärmeübertragers
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Wärmeübertrager 1 dargestellt, welcher für drei Medien geeignet ist. Der Wärmeübertrager 1 besteht aus einem Gehäuse 2, in welchen mehrere rohrähnliche Elemente 3 senkrecht über einander gelagert sind. Die rohrähnlichen Elemente 3 weisen dabei unter einander einen Abstand zu einander auf.
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Das rohrähnliche Element 3 weist einen Innenraum 4 auf. In dem Innenraum 4 der rohrähnlichen Elemente 3 wird die Ladeluft 9 des Verbrennungsmotors geführt, wobei durch die Wellrippen 7, die in diesem Innenraum 4 angeordnet sind, die Oberfläche vergrößert wird, wodurch die Ladeluft 9 ihre Temperatur einfacher an die Umgebung abgeben kann. Die Wellrippen 7 übertragen dann die von der Ladeluft 9 aufgenommene Temperatur an das Kühlmedium, welches sich in einem Zwischenraum 5 der rohrähnlichen Elemente 3 bewegt.
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Jedes rohrähnliche Element 3 ist dabei doppelwandig ausgebildet, wobei die doppelwandigen Ausbildungen den Zwischenraum 5 umfassen. Der Zwischenraum 5 jedes rohrähnlichen Elementes 3 bildet dabei ein geschlossenes System, welches ein Kühlmittel führt. Ein solches geschlossenes System weist lediglich einen Kühlmitteleinlass 6 und einen Kühlmittelauslass 11 auf.
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Der Abstand zwischen den über einander liegenden rohrähnlichen Elemente 3 bildet einen weiteren Strömungskanal 8. Dieser Strömungskanal 8 wird neben den Außenwänden der rohrähnlichen Elemente 3 durch das Gehäuse 2 begrenzt und dient dazu, das Abgas 10, welches teilweise vom Verbrennungsmotor abgeleitet und gekühlt werden soll, durch den Wärmeübertrager 1 zu führen. Auch der Strömungskanal 8 tangiert die Zwischenräume 5 der rohrähnlichen Elemente 3, so dass auch das Abgas 10, welches in den Strömungskanal 8 geführt wird, mit dem Kühlmittel über eine große Oberfläche in Kontakt steht.
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Insbesondere durch die rechteckähnliche Ausbildung der rohrähnlichen Elemente 3 wird sichergestellt, dass sowohl die Ladeluft 9, welche durch den Innenraum 4 der rohrähnlichen Elemente 3 geführt wird, als auch das Abgas 10, welches senkrecht zur Ladeluft, in 1 von rechts nach links, durch den Strömungskanal 8 strömt, immer ausreichend mit dem Kühlmittel im Zwischenraum 5 der rohrähnlichen Elemente 3 in Kontakt treten können.
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In 2 ist ein weiteres Beispiel für einen Wärmetauscher 11 dargestellt, bei welchem mehrere rohrähnliche Elemente 3 in einer Ebene angeordnet sind. Diese rohrähnlichen Elemente 3 sind dabei zu unter ihnen angeordneten rohrähnlichen Elementen 3, die eine zweite Ebene bilden, beabstandet angeordnet. Zwischen diesen beiden Ebenen der rohrähnlichen Elemente 3 sind die Wellrippen 7 befestigt. Auch bei diesem Wärmeübertrager 11 wird durch den Zwischenraum 5 der rohrähnlichen Elemente 3 das Kühlmittel transportiert. Im Gegensatz zu 1 wird das Abgas 10 im Innenraum 4 der rohrähnlichen Elemente geführt, während die Ladeluft 9 senkrecht zur Führung des Abgases 10 in dem Strömungskanal 8 geführt ist, welcher sich zwischen den Paketen von rohrähnlichen Elementen 3 erstreckt und Wellrippen 7 enthält. Ein solches Vertauschen der Führung von Ladeluft 9 und Abgas 10 ist ohne konstruktiven Aufwand je nach Anforderung des Kraftfahrzeuges möglich.
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Im Vergleich zu Einzelkomponenten wie Ladeluftkühler und Abgaskühler bietet der kombinierte Wärmeübertrager nach 1 und 2 platzsparende Ausführungsformen, wobei eine flexible Bauform und Einbaulage in Abhängigkeit von vorgegebenem Bauraum im Fahrzeug möglich ist. Eine Zusammenführung von abgas- bzw. luftführenden Strömungskanälen 8 führt zu einer homogenen Durchmischung der Luft im Saugraum des Verbrennungsmotors, weshalb weitere zusätzliche Abstimmungsmaßnahmen nicht erforderlich sind. Durch die homogene Durchmischung von Abgas 10 und Ladeluft 9 wird eine gleichmäßige Zylinderfüllung und damit eine gute Leistung des Verbrennungsmotors erreicht, wobei auf eine Betätigung von Schiebern zur gleichmäßigen Zylinderfüllung verzichtet werden kann.
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Wie aus 3 ersichtlich, werden zur Herstellung des kombinierten Wärmetauschers mehrere Extrusionsrohre 12, 12' neben- und/oder übereinander angeordnet. Jedes der Extrusionsrohre 12, 12' weist ein doppelwandiges Profil auf, wobei zwei innen liegende Wände 13, 14; 13', 14' des Rohres 12, 12' von zwei außen liegenden Wände 15, 16; 15', 16' des Rohres 12, 12' umschlossen werden. Je nach gewünschter Länge können diese Extrusionsrohre 12 stufig abgelängt werden. Dabei werden sie so abgeschnitten, dass die innen liegenden Wände 13, 14; 13', 14' die außen liegenden Wände 15, 16; 15', 16' des Rohres 12, 12' überragen.
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Zwischen zwei sich gegenüber liegenden Außenwänden 16, 15' oder 16', 15'' der beiden neben einander liegenden Rohr 12, 12' werden Wellrippen 7 eingelegt. Nach dem Einlegen der Wellrippen 7 werden die beiden Außenwände 16, 15' oder 16', 15'' zweier nebeneinander liegender Rohre 12, 12' beidseitig an ihren Enden jeweils mit einem ersten Boden 19, 19' verschlossen. Jeder der beiden Böden 19, 19' weist dabei Öffnungen 21, 21' auf, wobei durch jede Öffnung 21, 21' die innen liegenden Wände 13, 14; 13', 14', die die Außenwände 15, 16 oder 15', 16' überragen, geführt werden.
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Anschließend werden die Innenwände 13, 14 bzw. 13', 14' der neben einander liegenden Rohre 12 und 12' durch zwei weitere Böden 20, 20' abgedeckt. Auch diese Böden 20, 20' weisen Öffnungen 22, 22' auf, in welche die Enden der innen liegenden Wände 13, 14 bzw. 13', 14' genau eingepasst werden. Die Böden 20, 20' werden mit den innen liegenden Wände 13, 14 bzw. 13', 14' verpresst. Das so gefertigte Rohr-Wellrippenpaket wird nun mit einem Gehäuse 2 umgeben.
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Durch diese Gestaltung bilden sich die rohrähnlichen Elemente 3 mit dem Innenraum 4 und dem Zwischenraum 5, welcher als so genannter Wasserkasten dient und das Kühlmittel beinhaltet. Der Strömungskanal 8, wie er in den 1 und 2 beschrieben ist, wird dabei aus den gegenüber liegenden Wänden 13 und 14 des Rohres 12 bzw. den Wänden 13', 14' des Rohres 12' gebildet.
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Die erläuterte robuste und einfache Ausführung benötigt nur sehr kostengünstige Bauteile, die als Standardmaterial verfügbar sind. Es handelt sich dabei um ein sehr variables System mit nur geringen Änderungs- und Anpassungskosten. Diese Lösung wird komplett vorgefertigt und dann als vorgefertigtes Modul nach der Vormontage zur Komplettlötung einem Lötofen zugeführt.
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Auf Grund dieser Anordnung erfolgt die Kühlung der Ladeluft bzw. des Abgases durch ein Kühlmittel, welches in dem geschlossenen Zwischenraum 5 bewegt wird und welches keinen direkten Kontakt zu den gasförmigen Medien 9, 10 aufweist. Für die Kühlung von den beiden gasförmigen Medien, Ladeluft 9 und Abgas 10, wird nur ein Kühlmittelstrom benötigt. Der Wärmeübertrager 1 ist aus kostengünstigen, variabel ablängbaren, doppelwandigen Profilen wie Extrusionsprofilen und Rohrumformungen herstellbar. Auch die Wellrippen 7 werden mit einer bedarfsgerechten Rippendichte aus Endlosvorrichtungen abgelängt. Werkstoffe, welche vorteilhafterweise verwendet werden können, sind beispielsweise Stahl, Edelstahl oder Aluminium. Der Wärmeübertrager 1 kann je nach Bedarf geschweißt oder gelötet werden. Neben der variablen Gestaltung der Kühlmittelanschlüsse ist auch eine variable Gestaltung der Diffusoren, welche einen Anschluss von dem Rechteck auf einen runden Kanal ein- und austrittsseitig bilden, variabel möglich.
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Durch vergleichsweise geringe Toleranzanforderung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 ergeben sich nur niedrige Werkzeugkosten und niedrige Investitionskosten. Da keine Bewegung der Bauteile zu einander möglich ist, verfügt der erfindungsgemäße Wärmeübertrager über eine sehr hohe Festigkeit. Es ist eine sehr gute Wärmeübertragerleistung bei einem nur geringen gasseitigen Druckverlust möglich. Der kombinierte Wärmeübertrager 1 ist nicht nur für die Kühlung von gasförmigen Medien, sondern auch zum Einsatz in Ölkühlern geeignet, deren Dimensionierung bedarfsgerecht ausführbar ist.
