DE102010046471A1

DE102010046471A1 - Wärmetauscher für die Kühlanordnung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102010046471A1
Application number: DE201010046471
Authority: DE
Inventors: Patrick Landsbeck; Claus Steller
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Die vorliegender Erfindung betrifft Wärmetauscher einer Kühleranordnung eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Rohren (22; 52), welche unter Bildung zumindest eines von Kühlluft (30) durchströmbaren Strömungskanals (25) thermisch mit Kühllamellen (24; 36, 38) gekoppelt sind, die sich zwischen den Rohren (22; 52) liegend in Strömungsrichtung erstrecken, wobei die Rohre (22; 52) und/oder die Kühllamellen (24) hinsichtlich ihrer Außenkontur und/oder hinsichtlich ihrer Anordnung und/oder Ausrichtung zueinander derart konfiguriert oder ausgebildet sinds (25) an einer stromabwärts liegenden Austrittsfläche (44) größer als an einer stromaufwärts liegend Eintrittsfläche (42) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher einer Kühleranordnung eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohren, die insbesondere zur Abfuhr von dem Betrieb eines Verbrennungsmotors entstehender Abwärme mit Kühllamellen thermisch gekoppelt sind.
Hintergrund
Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit wenigstens einem Wärmetauscher ausgestattet, der zur Abfuhr von im Betrieb eines Antriebsaggregats entstehender Abwärme an die Umgebung dient. Gängige Wärmetauscheranordnungen sehen einem modulartigen Aufbau, etwa in Form eines sogenannten Condenser-, Radiator und Fan-Moduls, (CRFM, Kondensator-, Kühler- und Gebläsemodul) vor. Ein derartiges Wärmetauscher- oder Kühlermodul weist mehrere Wärmetauscher auf, wie z. B. einen mit einem Verbrennungsmotor thermisch gekoppelten Wasserkühler, einen Ladeluftkühler, einen Ölkühler und/oder einen Kondensator einer Kraftfahrzeugklimaanlage.
Zur Abfuhr von Abwärme an die Umgebung sind die Wärmetauscher typischerweise einer Luftströmung ausgesetzt. Diese wird beispielsweise vom Fahrtwind des Fahrzeuges abgezweigt bzw. bei langsamer Fahrt oder im Stillstand des Fahrzeuges von einem Gebläse erzeugt bzw. verstärkt.
Gängige Wärmetauscheranordnungen weisen typischerweise mehrere, von einem Wärmetauschermedium durchströmbare Rohre auf, die sich z. B. zueinander parallel über die Ebene einer Anströmfläche des Wärmetauschers erstrecken. Zwischen den von Kühlflüssigkeit durchströmbaren Rohren sind Kühllamellen vorgesehen, die einerseits mit den Wärmetauscherrohren gekoppelt sind und andererseits eine möglichst große Fläche zur Abfuhr von Abwärme an die Umgebungsluft bereitstellen.
Zur Bereitstellung einer für den Betrieb des Kraftfahrzeugmotors ausreichenden Kühlleistung ist für bekannte Wärmetauscher eine vergleichsweise große Bauform vorgesehen. So ist in 1 eine bekannte Kühleranordnung mit einer Vielzahl von sich im Wesentlichen parallel zueinander erstreckenden Wärmetauscherrohren 12 gezeigt. Ein solcher Kühler weist in einer Einbausituation im Kraftfahrzeug eine sich im Wesentlichen in der Ebene von Kraftfahrzeugquerrichtung (y) und Kraftfahrzeughochrichtung (z) erstreckende Kühler-anströmfläche auf und die einzelnen Wärmetauscherrohre 12 verfügen über eine zylindrische oder ovale bzw. rechteckig abgerundete Querschnittsfläche.
Soll z. B. aufgrund baulicher oder geometrischer Vorgaben des Kraftfahrzeugaufbaus die Anströmfläche des Kühlers verkleinert werden, so käme unter Umständen eine Ausgestaltung in Form eines in 2 schematisch dargestellten Blockkühlers 14 in Frage, der im Vergleich zur Darstellung gemäß 1 in Strömungsrichtung (x) betrachtet eine weitaus größere Bautiefe und dementsprechend im Querschnitt in Strömungsrichtung (x) ausgedehnte Wärmetauscherrohre 16 aufweist. Wenngleich mittels eines in 2 schematisch dargestellten Blockkühlers 14 zwar insgesamt die Größe einer Kühleranströmfläche bei gleichbleibender Kühlleistung zwar prinzipiell verringert werden kann, geht eine solche Kühlergeometrie jedoch mit einem erhöhten Strömungswiderstand einher.
Eine Verschlechterung der aerodynamischen Eigenschaften des Kraftfahrzeugs sowie ein wohl suboptimaler Wärmeaustausch an den Wärmetauscherrohren 16 wären die Folge.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen hinsichtlich Kühlleistung und aerodynamischen Eigenschaften verbesserten Wärmetauscher bereitzustellen, der bei möglichst gleichbleibender oder erhöhter Kühlleistung eine geringere Baugröße sowie einen geringeren Platzbedarf aufweist. Zudem soll der Wärmetauscher hinsichtlich seiner Außenabmessungen universell an unterschiedlichste Bauraumanforderungen des Kraftfahrzeuges anpassbar sein.
Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher einer Kühleranordnung gemäß Patentanspruch 1, mit einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers nach Patentanspruch 14 gelöst. Einzelne vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind hierbei Gegenstand jeweils abhängiger Patentansprüche.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist für eine Kühleranordnung eines Kraftfahrzeuges vorgesehen und hierzu ausgebildet und dient der Abfuhr von im Betrieb des Kraftfahrzeuges entstehender Abwärme an die Umgebung. Der Wärmetauscher weist zumindest zwei von einem Wärmetauschermedium durchströmbare Rohre auf, welche unter Bildung zumindest eines von zugeführter Kühlluft durchströmbaren Strömungskanals thermisch mit Kühllamellen gekoppelt sind. Die Kühllamellen erstrecken sich zwischen den Rohren liegend im Wesentlichen in Strömungsrichtung der zugeführten Kühlluft.
Die Rohre und/oder die Kühllamellen sind ferner hinsichtlich ihrer Außenkontur und/oder hinsichtlich Ihrer Anordnung und/oder Ausrichtung zueinander derart konfiguriert, angeordnet oder ausgebildet, dass der Strömungsquerschnitt des von Kühlrohren und Kühllamellen gebildeten Strömungskanals, bevorzugt die Strömungsquerschnitte mehrerer Strömungskanäle an einer stromabwärts liegenden Austrittsfläche des Wärmetauschers größer als an einer stromaufwärts liegenden Eintrittsfläche ist.
Indem die von Kühlrohren und Kühllamellen gebildeten Strömungskanäle in Strömungsrichtung betrachtet eine zunehmend größere Querschnittsfläche aufweisen, kann der Strömungswiderstand eines solchen Wärmetauschers gegenüber Wärmetauscheranordnungen mit einem in Strömungsrichtung kontinuierlichen Strömungsquerschnitt verringert werden. Zudem kann hierdurch dem Aspekt Rechnung getragen werden, dass die vergleichsweise kalte, dem Wärmetauscher zugeführte Kühlluft sich im Zuge des Durchströmens durch den Wärmetauscher erwärmt und sich dementsprechend räumlich ausdehnt. Die zugeführte Kühlluft kann sich beim Durchströmen des Wärmetauschers besser und ungehinderter räumlich ausdehnen.
Eingehende Überlegungen führen zu der Erkenntnis , dass die den Wärmetauscher durchströmende Kühlluft insbesondere in den in Strömungsrichtung hinten liegenden Bereichen des Wärmetauschers eine nennenswerte Erwärmung und räumliche Ausdehnung erfährt, die erfahrungsgemäß, gerade bei einer Ausgestaltung als Blockkühler, zum Aufbau eines nennenswerten Staudrucks führen kann, der sich nachteilig auf die aerodynamischen Eigenschaften des Wärmetauschers sowie des Fahrzeugs auswirken kann.
Indem die Strömungskanäle an ihrer Austrittsfläche eine größere Querschnittsfläche als an ihrer Eintrittsfläche aufweisen, kann einer durch Lufterwärmung bedingten Staudruckerhöhung nun entgegengewirkt werden. Ferner ermöglichen die sich in Strömungsrichtung vergrößernden Strömungskanäle, die Bautiefe eines Wärmetauschers in Strömungsrichtung gesehen, generell zu vergrößern. Auf diese Art und Weise kann z. B. bei gleichbleibender Kühlleistung die Größe der Eintrittsfläche des Wärmetauschers verringert und dafür die sich in Strömungsrichtung erstreckende Bautiefe des Wärmetauschers, bzw. des Kühlers entsprechend ausgedehnt werden.
Das Wärmetauscherdesign kann folglich zu einem Blockkühler mit einem vergleichsweise geringen Strömungswiderstand hin verändert werden. Derartige Wärmetauscher können ferner universell und flexibel an unterschiedliche Bauraumerfordernisse eines Kraftfahrzeugs angepasst werden. Ferner kann das Größenverhältnis von Eintritts- zu Austrittsflächen den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Insbesondere kann durch eine gegenüber dem Stand der Technik verkleinerte Eintrittsfläche und/oder auch Austrittsfläche des Wärmetauschers der hierdurch frei gewordene Bauraum im Kraftfahrzeug für andere Teile und Komponenten verwendet werden.
Auch kann ein derartiger Wärmetauscher gewichtsoptimiert mit verringertem Materialaufwand gefertigt werden. Schließlich kann durch die größenreduzierte Bauform des Wärmetauschers eine verbesserte Versicherungsklasseneinstufung für das betreffende Fahrzeug sowie eine Verbesserung des Fahrzeug-, Kollisions- und Crashverhaltens erreicht werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass sich der Strömungsquerschnitt des zumindest einen, bevorzugt sämtlicher Strömungskanäle stromabwärts gesehen stetig vergrößert. Strömungstechnisch erweist es sich hierbei als besonders günstig, wenn sich im von Wärmetauscherrohren und Kühllamellen gebildeten Strömungskanal keine Kanten oder dergleichen strömungstechnisch ungünstige Strukturen vorhanden sind. So ist ein durchgehend divergierender, kantenfreier Verlauf des Strömungsquerschnitts der Strömungskanäle als vorteilhaft zu erachten.
Der von Kühlluft durchströmbare freie Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle soll sich in Strömungsrichtung betrachtet stets vergrößern, allenfalls abschnittsweise konstant sein, aber unter keinen Umständen in Strömungsrichtung verringern.
Zur Erzielung sich in Strömungsrichtung vergrößernder Strömungskanäle ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ferner vorgesehen, dass die Wärmetauscherrohre an ihrem der Eintrittsfläche zugewandten Endabschnitt einen größeren Querschnitt als an einem der Austrittsfläche zugewandten Endabschnitt aufweisen. Dementsprechend weisen die Wärmetauscherrohre in Strömungsrichtung gesehen einen der Kontur und dem Verlauf der dazwischenliegenden Strömungskanäle entsprechende Formgebung auf.
Von Vorteil weisen die Wärmetauscherrohre in Strömungsrichtung betrachtet eine sich stetig verjüngende, sozusagen konvergierende Außenkontur auf. Die Wärmetauscherrohre können hierbei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein und die divergierende, sich vergrößernde Kühlluftkanal-Querschnittsfläche kann sich allein aus der sich in Strömungsrichtung verändernden Außenkontur bzw. dem Querschnitt der Wärmetauscherrohre ergeben.
Bei einer weiteren Ausgestaltung sind benachbart zueinander angeordnete Wärmetauscherrohre bezogen auf eine Hauptanströmrichtung der Kühlluft unter einem Winkel zueinander angeordnet. Folglich sind die Wärmetauscherrohre, z. B. in Strömungsrichtung gesehen, fächerartig und divergierend zueinander angeordnet und ausgerichtet. Bei einer derartigen Anordnung der Wärmetauscherrohre können auch Rohrgeometrien mit einem in Strömungsrichtung im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnittsprofil Verwendung finden. Denn bei dieser Ausgestaltung kann eine Vergrößerung der Strömungsquerschnitte der Strömungskanäle überwiegend oder ausschließlich durch eine in Strömungsrichtung divergierende Anordnung in sich geradlinig ausgebildeter Wärmetauscherrohre erreicht.
Es ist hierbei ferner denkbar, dass eine sich in Strömungsrichtung vergrößernde Querschnittsfläche der Strömungskanäle auch durch eine Kombination von einerseits in Strömungsrichtung konvergierend bzw. verjüngend ausgebildeten Rohren und andererseits von in Strömungsrichtung divergierend zueinander angeordneten Rohren erreicht werden kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die in Rohrlängsrichtung benachbart zueinander zu liegen kommenden Lamellen oder Lamellenabschnitte bezogenen auf die Rohrlängsrichtung divergierend zueinander angeordnet. So können die einzelnen, mit den Wärmetauscherrohren die Kühlkanäle bildenden Lamellen in Strömungsrichtung gesehen fächerartig divergierend zueinander ausgerichtet und dementsprechend an den Wärmetauscherrohren angeordnet sein. Auch kann ausschließlich durch die Ausgestaltung divergierender Kühllamellen eine Erweiterung des Strömungsquerschnitts der Strömungskanäle erreicht werden, wobei die Wärmetauscherrohre ein in Strömungsrichtung konstantes bzw. nicht konvergierendes Querschnittsprofil aufweisen.
Ergänzend oder alternativ hierzu ist ferner denkbar, dass auch die Lamellen eine sich in Strömungsrichtung zugeführter Kühlluft verjüngende Außenkontur aufweisen. Zur Erzielung von sich in Strömungsrichtung vergrößernden Querschnitten der Strömungskanäle können somit sowohl untere und obere, etwa von Wärmetauscherrohren gebildete Wandungsabschnitte als auch seitliche, typischerweise von Kühllamellen gebildete Wandlungsabschnitte paarweise divergierend zueinander angeordnet oder in sich konvergierend ausgebildet sein.
Ferner können die Rohre in Strömungsrichtung der Kühlluft betrachtet nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eine sich tropfenförmig verjüngende Außenkontur aufweisen. Eine derart aerodynamisch begünstigte Außenkontur der Wärmetauscherrohre kann den Gesamtströmungswiderstand des Wärmetauschers in vorteilhafter Weise verringern.
So ist insbesondere für die Wärmetauscherrohre eine stromlinienförmige Außenkontur vorgesehen, sodass die Wärmetauscherrohre überwiegend laminar von zugeführter Kühlluft umströmt werden, was einen konvektiven Wärmeaustausch zwischen dem in den Rohren strömenden Wärmetauschermedium und zugeführter Kühlluft begünstigt. Die Formgebung der Wärmetauscherrohre kann dabei z. B. an das Querschnittsprofil von Flugzeugtragflächen angelehnt sein. Insbesondere können die Wärmetauscherrohre vorn und/oder hinten abgerundet sein oder eine konvexe Wölbung aufweisen.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die sich zwischen den Wärmetauscherrohren liegenden Lamellen oder Lamellenabschnitte über ihre Erstreckung entlang der Strömungsrichtung an benachbarten Wärmetauscherrohren unmittelbar angrenzen. Bevorzugt stehen die Lamellen oder Lamellenabschnitte über ihre gesamte Erstreckung in Strömungsrichtung mit den Wärmetauscherrohren in thermischem Kontakt. Sie sind bevorzugt unmittelbar miteinander, insbesondere über ihre gesamte Längserstreckung mit den Wärmetauscherrohren verschweißt oder anderweitig stoffschlüssig verbunden.
Nach einer Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass die Lamellen durch abschnittsweise und abwechselnde Umformung entlang mehrerer, im Wesentlichen geradliniger Faltlinien aus einem Metallblechzuschnitt geformt sind. Die Lamellen weisen eine ziehharmonikaartige Formgebung auf und grenzen mit Ihren Faltlinien bevorzugt an die quer hierzu verlaufenden Wärmetauscherrohre an. Die einzelnen Faltlinien erstrecken sich hierbei in Strömungsrichtung bzw. parallel zum Verlauf der von Lamellen und Kühlrohren gebildeten Strömungskanäle. Die von Kühllamellen und Wärmetauscherrohren gebildeten Strömungskanäle weisen bevorzugt einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf.
Insbesondere bei einer Ausgestaltung mit einem sich in Strömungsrichtung verjüngenden Wärmetauscherrohrdurchmesser ist vorgesehen, dass sich die Bauhöhe der ziehharmonikaartig gefalteten Lamellenstruktur entsprechend vergrößert, damit die Lamellen mit Ihrem Knick-, Biege- oder Faltlinien im Wesentlichen über ihre gesamte Erstreckung an den Wärmetauscherrohren anliegen können.
In Weiterbildung hiervon ist insbesondere vorgesehen, dass der Metallblechzuschnitt vor einem Umformen in die ziehharmonikaartige Struktur der Kühllamellen ein ringsegmentartiges Flächengebilde aufweist. Die späteren Faltlinien zur Bildung der Lamellen erstrecken sich hierbei im Wesentlichen senkrecht zu den gebogenen Seitenrändern des Metallblechzuschnitts. Nach einer entsprechenden Umformoperation, etwa einem strukturbildenden Prägeprozess, ergibt sich dann in einer Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Außenkontur der Lamellenanordnung mit einer Anzahl von einzelnen in einem zick-zack-Muster geformten Lamellen, wobei die in den Metallblechzuschnitt eingebrachten Faltlinien im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, die Bauhöhe der Lamellen der Eintrittsfläche zugewandt aber kleiner als an der gegenüberliegenden Austrittsfläche des Wärmetauschers ist.
Anstelle einer einstückig ausgebildeten Lamellenanordnung kann nach einer Weiterbildung ferner vorgesehen werden, in Strömungsrichtung betrachtet, zumindest zwei, der jeweiligen Außenkontur und dem Abstand der jeweils benachbart angeordneten Wärmetauscherrohre größenangepasste Lamellen bevorzugt im Wesentlichen fluchtend hintereinander anzuordnen. Insoweit können in einer einfachen Näherung zwei oder mehrere in Strömungsrichtung hintereinander anzuordnende Lamellen vorgesehen werden, die jeweils unterschiedliche, dem jeweiligen Einbauort an den Wärmetauscherrohren entsprechende Bauhöhen aufweisen.
In Strömungsrichtung fluchtend hintereinander angeordnete Lamellen oder Lamellenpakete können hierbei unmittelbar aneinander angrenzend aber auch unter Bildung eines Zwischenraums an den jeweiligen Wärmetauscherrohren angeordnet werden.
Es ist hierbei ferner denkbar, die Lamellen auch unter einem Versatz in Rohrlängsrichtung anzuordnen, insbesondere für den Fall, wenn sich eine Verwirbelung zugeführter Kühlluft innerhalb des Wärmetauschers als vorteilhaft erweisen sollte.
Es kann ferner vorgesehen werden, dass die Lamellen zum Beispiel eine in sich rechteckige Gestalt aufweisen und entlang eines geradlinig ausgebildeten Abschnitts des angrenzenden Wärmetauscherrohrs zu liegen kommen. Auch kann das Wärmetauscherrohr in Strömungsrichtung betrachtet stufenweise unterschiedliche Strömungsquerschnitte bzw. unterschiedliche Außenabmessungen senkrecht zur Strömungsrichtung aufweisen.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen werden, das ein vorderer, in Strömungsrichtung im Wesentlichen geradlinig ausgebildeter Rohrabschnitt über einen schrägen Rohrabschnitt in einen hinteren, ebenfalls in sich geradlinig ausgebildeten Rohrabschnitt übergeht, wobei der vordere Abschnitt zur Vergrößerung des Strömungskanalquerschnitts eine größere Querschnittsfläche als der hintere Abschnitt aufweist. Die abgestufte Ausgestaltung von in Strömungsrichtung unterschiedlichen Rohrquerschnitten ist dabei keineswegs auf nur zwei Rohrabschnitte beschränkt. So können auch mehrere sukzessiv in Strömungsrichtung abgestufte Rohrabschnitte vorgesehen werden.
Auch ist nach einer weiteren Ausgestaltung des Wärmetauschers denkbar, dass die Lamellen oder Lamellenabschnitte eine oder mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen, über welche eine strömungstechnische Verbindung benachbart zueinander liegender Strömungskanäle hergestellt werden kann. Auf diese Art und Weise kann eine bedarfsgerechte Verwirbelung der Kühlluftströmung herbeigeführt werden.
Hiervon unabhängig ist nach einer weiteren Ausgestaltung des Wärmetauschers ferner denkbar, dass die Lamellenanordnung über die gesamte Anström- oder Eintrittsfläche des Wärmetauschers nicht gleichbleibend ausgebildet sein muss sondern einzelne Flächenabschnitte unterschiedlicher Geometrie und/oder Kontur aufweisen kann.
Es ist ferner im Rahmen der Erfindung, wenn die Lamellenkontur, insbesondere die Lamellenbreite oder der Abstand benachbarter Lamellensegmente, an strömungstechnische, etwa einbaubedingte Strömungsverhältnisse des Wärmetauschers angepasst werden. So ist es insbesondere denkbar, in den strömungstechnisch benachteiligten Bereichen der Anströmfläche des Wärmetauschers den Strömungswiderstand durch Anpassen der Lamellengeometrie lokal zu verringern, damit der Wärmetauscher unter typischen Betriebsbedingungen über seine gesamte Wärmetauscherfläche eine weitgehend konstante Kühlleistung bereitstellen kann.
In einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung zudem ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsaggregat, bevorzugt mit einem Verbrennungsmotor und mit einer hierfür vorgesehenen Kühleranordnung zur Abfuhr der im Betrieb des Antriebsaggregats entstehenden Abwärme an die Umgebung. Das Kraftfahrzeug bzw. die an ihm vorgesehene Kühleranordnung weist dabei zumindest einen zuvor beschriebenen Wärmetauscher auf.
Daneben betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, wobei zumindest zwei Wärmetauscherrohre vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet werden und zur Bildung zumindest eines von Kühlluft durchströmbaren Strömungskanals derart thermisch mit sich zwischen den Rohren, vorzugsweise in Strömungsrichtung erstreckenden, Kühllamellen gekoppelt werden, sodass der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals an einer stromabwärts liegenden Austrittsfläche größer als an einer stromaufwärts liegenden Eintrittsfläche ist und wobei zur Bildung der Kühllamellen mit einer sich in Strömungsrichtung stetig vergrößernden Kontur ein Metallblechzuschnitt abschnittsweise und in abwechselnder Richtung entlang mehrerer, im Wesentlichen geradliniger Faltlinien (34) umgeformt wird.
Ein derart umgeformter, eine Lamellenanordnung bildender Metallblechzuschnitt wird sodann mit in entsprechendem Abstand zueinander angeordneten Wärmetauscherrohren thermisch gekoppelt, bevorzugt unmittelbar hiermit verbunden. Die Wärmetauscherrohre weisen hierbei bevorzugt einen in Strömungsrichtung gesehen, sich verjüngenden Querschnitt, insbesondere eine sich dementsprechend verjüngende Außenkontur auf.
Eine Höhenanpassung der zwischen den Wärmetauscherrohren anzuordnenden Kühllamellen an das Profil der Wärmetauscherrohre ermöglicht die Bildung eines Wärmetauschers mit sich in Strömungsrichtung querschnittsvergrößernden Strömungskanälen.
In Weiterbildung hiervon ist der Metallblechzuschnitt ringsegmentartiger Gestalt, wobei sich die Falt- oder Biegelinien im Wesentlichen senkrecht zu den gebogenen Seitenrändern des Blechzuschnitts erstrecken. Auf diese Art und Weise kann eine im Wesentlichen rechteckige, dem geradlinigen Verlauf der Wärmetauscherrohre angepasste Außenkontur einer Kühllamellenanordnung geschaffen werden, die auf Seiten der Eintrittsfläche des Wärmetauschers ein geringeres Höhenprofil als an der Austrittsfläche aufweist.
Der ringsegmentartig ausgebildete Flächenabschnitt des Metallblechzuschnitts kann beispielsweise mittels einer Walzoperation erzeugt werden, wobei ein radial außen liegender Bereich einem größeren Druck als ein radial innen liegender Bereich ausgesetzt wird. Auf diese Art und Weise kann aus einem etwa rechteckigen Metallblechzuschnitt oder aus einem in Form eines Coils vorliegenden Metallblechband ein ringsegmentartiger Flächenabschnitt erzeugt werden.
Es ist hierbei nach einer weiteren Ausgestaltung denkbar, dass der Metallblechzuschnitt im Zuge eines Umformprozesses entlang eines Seitenrandes gestreckt und/oder entlang eines gegenüberliegenden Seitenrandes gestaucht wird. Insoweit ist ferner denkbar, auch etwa aus einem rechteckigem Metallblechzuschnitt eine zickzackartig anmutende Lamellenanordnung zu formen, die an ihren beiden, bezogen auf die spätere Einbauposition am Wärmetauscher, vorn und hinten liegenden Endabschnitten unterschiedliche Bauhöhen aufweist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers nach dem Stand der Technik,
2 eine weitere perspektivische Darstellung eines nach Art eines Blockkühlers ausgebildeten Wärmetauschers nach dem Stand der Technik,
3 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung,
4 eine schematische perspektivische Darstellung zweier in Strömungsrichtung hintereinander anzuordnender Kühllamellenanordnungen,
5 eine schematische Seitenansicht der Kühllamellen gemäß 4 in Einbauposition zwischen zwei Wärmetauscherrohren,
6 einen ringsegmentartig ausgebildeten Metallblechzuschnitt vor einer strukturbildenden Umformoperation,
7 eine schematische perspektivische Darstellung einer aus einem Metallblechzuschnitt gemäß 6 erzeugbaren Lamellenanordnung,
8 eine schematische Darstellung der in 7 gezeigten Lamellenanordnung in Einbauposition zwischen zwei Wärmetauscherrohren,
9 die Herstellung eines in 6 isoliert dargestellten ringsegmentartigen Metallblechzuschnitts mittels einer Walzoperation und
10 eine weitere Ausgestaltung mit stufenförmig abgesetzten Wärmetauscherrohren.
Der in 3 ausschnittsweise und vergrößert dargestellte Wärmetauscher 20 weist eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Wärmetauscherrohren 22 auf, die in Strömungsrichtung (x) gesehen ein sich verjüngendes Querschnittsprofil aufweisen.
Zwischen den von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohren 22 befinden sich jeweils Kühllamellen 24 dreieckiger Grundgeometrie, die eine Vielzahl von Strömungskanälen 25 bilden, durch welche die zugeführte Kühlluft 30 strömen kann. Durch die sich in Strömungsrichtung (x) verjüngende Außenkontur der Wärmetauscherrohre 22 vergrößert sich der Strömungsquerschnitt der von Wärmetauscherrohren 23 und Kühllamellen 24 gebildeten Strömungskanäle 25 in Strömungsrichtung gesehen.
Auf diese Art und Weise kann die sich im Zuge des Wärmeaustauschs erwärmende Kühlluft 30 ungehinderter ausdehnen und trotz einer zunehmenden Erwärmung in Strömungsrichtung überwiegend laminar die Wärmetauscherrohre 22 umströmen. Die Wärmetauscherrohre 22 sind an der in 3 links liegenden Eintrittsfläche 42 als auch an der gegenüberliegenden Austrittsfläche 44 des gezeigten Kühlers 20 abgerundet ausgebildet, um eine möglichst homogene, weitgehend turbulenzfreie und laminare Strömung zugeführter Kühlluft 30 zu unterstützen. So weisen die Wärmetauscherrohre 22 an ihrem vorderen der Eintrittsfläche 42 zugewandten Endabschnitt 26 einen größere Querschnitt als an ihrem gegenüberliegenden, der Austrittsfläche 44 zugewandten Endabschnitt 28 auf.
Die in den 3, 5 und 8 gezeigten Wärmetauscherrohre 22 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Es ist aber abweichend hiervon auch denkbar, eine weitere Vergrößerung der Strömungskanäle durch ein entsprechendes auffächerndes Anordnen übereinander liegender benachbarter Wärmetauscherrohre 22 zu erzielen.
Die vorliegend gezeigten Ausgestaltungen mit verjüngt in Strömungsrichtung ausgebildeten Wärmetauscherrohren 22 ermöglichen die Bildung eines im Wesentlichen blockartig bzw. kubisch ausgebildeten Wärmetauschers 20, der im Vergleich zu den im Stand der Technik üblichen und in 1 skizzierten Wärmetauschern eine deutlich größere Bautiefe in Strömungsrichtung aufweisen kann.
Durch den sich in Strömungsrichtung 30 vergrößernden Querschnitt der Strömungskanäle 25 kann der Strömungswiderstand eines derart ausgebildeten Blockkühlers auf ein gefordertes Minimum herabgesetzt werden.
In der 4 sind zwei Lamellenanordnungen 36, 38 gezeigt, die im Querschnitt gemäß 5 bevorzugt fluchtend hintereinander im Zwischenraum zwischen benachbarten Wärmetauscherrohren 22 angeordnet werden. Die Lamellenanordnung 36 weist hierbei eine Bauhöhe A auf, die kleiner ist als die entsprechende Bauhöhe B der Lamellenanordnung 38. Dementsprechend ist vorgesehen, die etwas kleiner bauende Lamellenanordnung 36 nahe der Eintrittsfläche 42 und die Lamellenanordnung 38 in Strömungsrichtung dahinterliegend, ggf. unter Bildung eines Zwischenraums 40 zwischen den im Wesentlichen horizontal verlaufende Wärmetauscherrohren 22 anzuordnen.
Die in Strömungsrichtung vorn bzw. hinten liegenden Endabschnitte der Lamellenanordnungen 36, 38 kommen hierbei bevorzugt innerhalb bzw. zwischen der Vorderkante 26 bzw. hinteren Kante 28 der vorn und hinten gebogen, bzw. konvex gewölbten und stromlinienförmig ausgebildeten Wärmetauscherrohre 22 zu liegen.
Die hier gezeigte Ausgestaltung ist lediglich exemplarisch. Auch ist eine horizontale Ausrichtung der Wärmetauscherrohre 22 keinesfalls zwingend. So können die Wärmetaucherrohre auch z. B. senkrecht, etwa in z-Richtung verlaufend, angeordnet sein.
In 6 ist ein Metallblechzuschnitt 32 mit einer ringsegmentartigen Fläche gezeigt, der zwei gebogene Seitenränder 33, 35 aufweist. Zwischen den Seitenrändern 33, 35 erstrecken sich einzelne Falt-, Knick- oder Biegelinien 34, entlang derer aus dem Metallblechzuschnitt 32 durch abwechselndes Umformen eine ziehharmonikaartige Struktur einer in 7 dargestellten Kühllamellenanordnung 24 gebildet werden kann.
Gemäß der Darstellung nach 8 weisen hierbei die einzelnen Kühllamellen 24 eine trapezartige Gestalt auf, die entsprechend der Kontur benachbarter Wärmetauscherrohre 22 weitgehend über die gesamte Erstreckung der Falt- oder Biegelinien 34 an die Außenkontur der Wärmetauscherrohre 22 angrenzt und dort mit diesen bevorzugt stoffflüssig verbunden, etwa verschweißt ist.
Wie ferner in 7 erkennbar, weist die Lamellenanordnung 24 der Eintrittsfläche 42 zugewandt eine Bauhöhe D auf, die kleiner ist als die gegenüberliegende Bauhöhe E an der Austrittsfläche 44 des Wärmetauschers 20. Hierbei entspricht das weniger hoch bauende vordere Ende der Lamellenanordnung 24 dem radial innen liegenden Seitenrand 33 des in 6 dargestellten Metallblechzuschnitts 32 während die mit E bezeichnete Bauhöhe aus dem radial außen liegenden Seitenrand 35 des in 6 gezeigten Metallblechzuschnitts 32 gebildet werden kann.
In 9 ist schließlich eine weitere Möglichkeit der Herstellung des in 6 skizzierten Metallblechzuschnitts 32 gezeigt. Ausgehend von einem in Form eines Blechbandes 46 vorliegenden Rohling kann z. B. über eine oder mehrere Walzoperationen ein in der Fläche gebogenes, in 9 links neben den angedeuteten Walzen 48 sich erstreckendes ringartig gebogenes Band erzeugt werden, welches radial außen liegend eine Materialstärke F aufweist, die kleiner ist als eine radial innen liegende Materialstärke G.
Durch entsprechendes Ablängen des in der Fläche zu einem ringartigen Segment gebogenen Metallblechzuschnitts 32 kann ein in 6 skizzierter Rohling 32 erzeugt werden. In 9 ist ferner anhand der gestrichelten Linien 24 die spätere Bildung von in Strömungsrichtung stetig höher bauenden Kühllamellen 24 gezeigt.
Anstelle einer Walzoperation kann ein in 6 skizzierter Rohling 32 natürlich durch z. B. entsprechendes Ausstanzen aus einem etwa rechteckigen Metallblech gebildet werden.
In 10 ist schließlich eine weitere Ausgestaltung eines Wärmetauschers 50 dargestellt. Dieser weist zumindest zwei Wärmetauscherrohre 52 auf, die in Strömungsrichtung betrachtet zwei im Wesentlichen parallel, ggf. auch parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtete Rohrabschnitte 54, 56 aufweisen, die senkrecht zur Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Insbesondere weisen hier die Wärmetauscherrohre ein abgestuftes Außenprofil auf, wobei der in Strömungsrichtung vorn liegende etwas höher bauende Rohrabschnitt 54 über eine schrägen Stufenabschnitt 58 in den hinteren, im Rohrabschnitt 56 übergeht. Der vordere, der Kühlereintrittsfläche zugewandte Rohrabschnitt 54 verjüngt sich im Bereich des schrägen Stufenabschnitts 58 in den hinsichtlich seines Querschnittes verkleinerten hinteren Rohrabschnitt 58.
Da für sämtliche Wärmetauscherrohre ohnehin einer Fertigung als extrudiertes Strangpressprofil vorgesehen ist, kann selbst eine solch komplexe Geometrie nahezu kostenneutral hergestellt werden.
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Wärmetauscher
12: Wärmetauscherrohr
14: Wärmetauscher
16: Wärmetauscherrohr
20: Wärmetauscher
22: Wärmetauscherrohr
24: Kühllamelle/Kühllamellenanordnung
26: vorderer Rohrabschnitt
28: hinterer Rohrabschnitt
30: Kühlluftströmung
32: Metallblechzuschnitt
34: Falt-, Knick- oder Biegelinie
36: Kühllamellenanordnung
38: Kühllamellenanordnung
40: Durchgangsöffnung
42: Eintrittsfläche
44: Austrittsfläche
46: Metallblech
48: Walzwerk
50: Wärmetauscher
52: Wärmetauscherrohr
54: Rohrabschnitt
56: Rohrabschnitt
58: Stufenabschnitt

Claims

Wärmetauscher einer Kühleranordnung eines Kraftfahrzeugs mit zumindest zwei von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Rohren (22; 52), welche unter Bildung zumindest eines von Kühlluft (30) durchströmbaren Strömungskanals (25) thermisch mit Kühllamellen (24; 36, 38) gekoppelt sind, die sich zwischen den Rohren (22; 52) liegend in Strömungsrichtung erstrecken, wobei die Rohre (22; 52) und/oder die Kühllamellen (24; 36, 38) hinsichtlich ihrer Außenkontur und/oder hinsichtlich ihrer Anordnung und/oder Ausrichtung zueinander derart konfiguriert oder ausgebildet sind, dass der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals (25) an einer stromabwärts liegenden Austrittsfläche (44) größer als an einer stromaufwärts liegenden Eintrittsfläche (42) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals (25) stromabwärts gesehen stetig vergrößert.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohre (22; 52) an ihrem der Eintrittsfläche (42) zugewandten Endabschnitt einen größeren Querschnitt als an einem der Austrittfläche (44) zugewandten Endabschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei benachbart zueinander angeordnete Rohre (22; 52) bezogen auf eine Hauptanströmrichtung der Kühlluft (30) unter einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Rohrlängsrichtung benachbart zueinander zu liegen kommende Lamellen (24; 36, 38) oder Lamellenabschnitte bezogen auf die Rohrlängsrichtung divergierend zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohre (22) in Strömungsrichtung der Kühlluft (30) betrachtet eine sich tropfenförmige verjüngende Außenkontur aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei die Lamellen (24; 36, 38) oder Lamellenabschnitte über ihre Erstreckung entlang der Strömungsrichtung an benachbarten Rohren (22; 52) unmittelbar angrenzen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lamellen (24; 36, 38) durch abschnittsweise und abwechselnde Umformung entlang mehrerer im Wesentlichen geradliniger Faltlinien (34) aus einem Metallblechzuschnitt (32) geformt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lamellen (24; 36, 38) in Längsrichtung der Rohre (22; 52) betrachtet eine ziehharmonika-artig gefaltete Struktur aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei der Metallblechzuschnitt (32) vor einem Umformen eine ringsegmentartige Struktur aufweist und wobei die Faltlinien (34) sich im Wesentlichen senkrecht zu den gebogenen Seitenrändern (33, 35) des Blechzuschnitts (32) erstrecken.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Strömungsrichtung (30) betrachtet, wenigstens zwei, der Außenkontur benachbarter Rohre (22; 52) jeweils angepasste Lamellen (36, 38) vorzugsweise fluchtend hintereinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lamellen (24; 36, 38) oder Lamellenabschnitte eine oder mehrere Durchgangsöffnungen (40) aufweisen oder bilden.
Kraftfahrzeug mit einem Antriebsaggregat und einer hierfür vorgesehenen Kühleranordnung zur Abfuhr der im Betrieb des Antriebs entstehenden Abwärme an die Umgebung mit zumindest einem Wärmetauscher (20; 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, wobei zumindest zwei Wärmetauscherrohre (22; 52) vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet werden und zur Bildung zumindest eines von Kühlluft durchströmbaren Strömungskanals (25) derart thermisch mit Kühllamellen (24; 36, 38) gekoppelt werden, dass der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals (25) an einer stromabwärts liegenden Austrittsfläche (44) größer als an einer stromaufwärts liegenden Eintrittsfläche (42) ist und wobei ein Metallblechzuschnitt (32) abschnittsweise und in abwechselnder Richtung entlang mehrerer, im Wesentlichen geradliniger Faltlinien (34) zur Bildung der Kühllamellen (24; 36, 38) mit einer sich in Strömungsrichtung stetig vergrößernden Kontur umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Metallblechzuschnitt (32) im Zuge eines Umformprozesses entlang eines Seitenrandes (35) gestreckt und/oder entlang eines gegenüberliegenden Seitenrandes (33) gestaucht wird.