DE102011001462A1

DE102011001462A1 - Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102011001462A1
Application number: DE102011001462A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Kühnel; Peter Corbach
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-27

Abstract

Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Gehäuse (2), welches ein Gehäuseoberteil (4) und ein Gehäuseunterteil (6) aufweist, einem zweiten Gehäuse, einem Fluideinlass (8) und einem Fluidauslass (12) im ersten Gehäuse (2), einem ersten Kanal (10), über welchen der Fluideinlass (8) mit dem Fluidauslass (12) verbunden ist, Rippen (16), die sich in den ersten Kanal (10) erstrecken und einem zweiten von einem Kühlmittel durchströmten Kanal, sind bekannt. Bei großen Unterschieden bezüglich der Massenströme und Kühlleistungen müssen bisher immer neue Gehäuse ausgelegt und die entsprechenden Werkzeuge angeschafft werden. Um dies zu vermeiden wird vorgeschlagen, dass im ersten Gehäuse (2) mindestens ein Trennelement (20) angeordnet ist, welches sich vom Fluideinlass (8) zum Fluidauslass (12) sowie über die Höhe des ersten Kanals (10) erstreckt und den ersten Kanal (10) in einen ersten, von einem zu kühlenden Fluid durchströmten Teilkanal (22.1, 22.2) und mindestens einen zweiten Teilkanal (24.1, 24.2) trennt, wobei der Fluideinlass (8) in zumindest den zweiten Teilkanal (24.1, 24.2) durch das Trennelement (20) kontinuierlich verschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Gehäuse, welches ein Gehäuseoberteil und ein Gehäuseunterteil aufweist, einem zweiten Gehäuse, einem Fluideinlass und einem Fluidauslass im ersten Gehäuse, einem ersten Kanal, über welchen der Fluideinlass mit dem Fluidauslass verbunden ist, Rippen, die sich in den ersten Kanal erstrecken und einem zweiten, von einem Kühlmittel durchströmten Kanal.
Derartige Wärmetauscher können beispielsweise im Druckgussverfahren hergestellt werden. Üblicherweise enthalten sie Innengehäuse, in denen der vom zu kühlenden Fluid durchströmte Kanal ausgebildet ist und der umgeben ist von einem Kühlmittelmantel, der zwischen dem Innengehäuse und einem ein- oder mehrteiligen Außengehäuse ausgebildet ist, welches die Kühlmittelzu- und -abläufe enthält.
Diese Wärmetauscher werden beispielsweise zur Kühlung von Abgas in eine Abgasrückführleitung von Kraftfahrzeugen eingebaut, um Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
Es sind verschiedene derartig aufgebaute Wärmetauscher bekannt. So wird in der DE 10 2008 036 222 B3 ein Wärmetauscher beschrieben, der ein Innengehäuse aufweist, in dessen inneren Kanal sich Rippen erstrecken. Das Innengehäuse ist in einem Außengehäuse angeordnet, wobei zwischen Innengehäuse und Außengehäuse ein Kühlmittelmantel gebildet wird. Einlass und Auslass des von Abgas durchströmten Kanals sind an den gegenüberliegenden Kopfseiten des Wärmetauschers angeordnet.
Bei einem derartig aufgebauten Wärmetauscher entstehen bei geringen Massenströmen des zu kühlenden Fluids ein deutlich reduzierter Wirkungsgrad und gleichzeitig eine deutlich erhöhte Versottung aufgrund der verringerten Strömungsgeschwindigkeiten.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2006 012 219 A1 ein Wärmetauscher bekannt, der einen inneren Kühlmittelkanal aufweist und der U-förmig durchströmt wird, so dass Einlass und Auslass nebeneinander an einer Kopfseite des Wärmetauschers angeordnet sind. Um bei geringen Fluidströmen des zu kühlenden Fluids dennoch eine ausreichende Kühlwirkung sicherzustellen, kann bei diesem Wärmetauscher ein Einlass zu einem Teilkanal des Abgas durchströmten Kanals variabel über eine Klappe verschlossen werden. Hierzu wird der Abgas durchströmte Kanal durch eine Trennwand, welche beim Druckgießen des Gehäuses hergestellt wird, in zwei Teilkanäle aufgeteilt.
Zwar wird hier die Möglichkeit geschaffen, den Kühlwirkungsgrad bei geringeren Fluidströmen zu erhöhen und damit die Versottung zu reduzieren, jedoch muss für jeden Verbrennungsmotor eine neue Auslegung und Konstruktion des Wärmetauschers erfolgen. Dies verursacht sowohl hohe Entwicklungskosten als auch Werkzeugkosten. Dieses Problem besteht insbesondere bei Wärmetauschern, die in relativ geringen Stückzahlen hergestellt werden, wie dies beispielsweise im Lastkraftfahrzeugbereich gegeben ist.
Es stellt sich daher die Aufgabe, bei geringen Herstell-, Montage- und Entwicklungskosten einen Wärmetauscher für große Motorspreizungen und unterschiedliche geforderte Kühlleistungsvarianten zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass im ersten Gehäuse mindestens ein Trennelement angeordnet ist, welches sich vom Fluideinlass zum Fluidauslass sowie über die Höhe des ersten Kanals erstreckt und den ersten Kanal in einen ersten, von einem zu kühlenden Fluid durchströmten Teilkanal und mindestens einen zweiten Teilkanal trennt, wobei der Fluideinlass in zumindest den zweiten Teilkanal durch das Trennelement kontinuierlich verschlossen ist, kann je nach Anordnung des Trennelementes das gleiche Innengehäuse für verschiedene geforderte Kühlleistungen und Massenströme genutzt werden. Somit werden vor allem bei geringen geforderten Stückzahlen die Kosten deutlich gesenkt und auf einfache Weise eine optimierte Kühlleistung verwirklicht, da auch bei großen Leistungsspreizungen gleiche Gehäuse verwendet werden können.
Vorzugsweise ist das Trennelement ein Trennblech, welches zwischen die Rippen geklemmt ist. Dies führt zu einem geringen Montageaufwand, da ein einfaches Einsetzen der Trennbleche ausreicht. Somit werden Herstellungskosten reduziert.
In einer weiter führenden oder alternativen Ausführung ist das Trennelement ein Trennblech, welches zwischen den Rippen angeordnet und an den Rippen oder an Wänden des ersten Gehäuses stoffschlüssig befestigt ist. Bei größeren Rippenabständen kann so die Befestigung des Bleches sichergestellt werden. Auch kann gegebenenfalls ein Überströmen der Trennbleche vermieden werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Trennelement derart zwischen den Rippen angeordnet ist, dass der Querschnitt des ersten Teilkanals in Richtung vom Fluideinlass zum Fluidauslass verkleinert wird. Dies bedeutet, dass bei höheren Temperaturen des zu kühlenden Fluids, also bei geringerer Dichte, ein größerer Durchströmungsquerschnitt zur Verfügung steht als im hinteren Bereich des Wärmetauschers. Auf diese Weise kann jedoch eine etwa konstante Strömungsgeschwindigkeit im Innengehäuse aufrecht erhalten werden, was zu einem aufgrund einer gleichmäßigen zu erwartenden Verrußung zu gleichbleibenden Strömungswiderständen und Kühlleistungen führt.
Vorzugsweise ist das Trennblech am Fluideinlass und am Fluidauslass im Wesentlichen senkrecht abgeknickt ausgebildet und verschließt einen Querschnitt des Fluideinlasses und des Fluidauslasses. So wird auf besonders einfache Weise der Verschluss des zu verschließenden und nicht durchströmten Teilkanals hergestellt und gleichzeitig die Steifigkeit des Bleches im Kanal erhöht. Dadurch entsteht eine bessere Fixierung bezüglich der Lage des Bleches im Gehäuse.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Fluidauslass an der zum Fluideinlass gegenüber liegenden Seite des Gehäuses angeordnet. Ein solcher I-förmig durchströmter Kühler ist einfach in der Herstellung und weist eine gleichmäßige Durchströmung auf.
In einer hierzu weiterführenden Ausführung sind zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Gehäuseunterteil zwei Trennbleche angeordnet, die den im ersten Gehäuse ausgebildeten Kanal in den ersten Teilkanal und zwei zweiten Teilkanälen unterteilen, wobei der erste Teilkanal zwischen den beiden zweiten Teilkanälen angeordnet ist. So kann über die Trennbleche eine gleichmäßige, symmetrische Durchströmung des Innengehäuses und der zu- und abführenden Rohrleitungen erreicht werden.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Fluidauslass und der Fluideinlass nebeneinander angeordnet und der erste Teilkanal ist U-förmig durchströmt. Eine derartige Bauform erfordert einen geringen axialen Bauraum und erleichtert gegebenenfalls die Anordnung der Anschlussgehäuse oder Rohrleitungen.
In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Gehäuseunterteil ein U-förmiges Trennblech angeordnet. Entsprechend wird lediglich ein einzelnes Trennblech benötigt.
Es wird somit ein Wärmetauscher geschaffen, welcher für große Motorspreizungen verwendet werden kann und auf einfache Art und Weise an geforderte Massenströme und Kühlleistungen angepasst werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Innengehäuses eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in perspektivischer Ansicht.
2 zeigt eine Draufsicht auf das Innengehäuses des Wärmetauschers aus 1 in geschnittener Darstellung.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht aus einem ersten Gehäuse 2, welches als Innengehäuse dient und ein Gehäuseunterteil 4 sowie ein Gehäuseoberteil 6 aufweist sowie einem das Innengehäuse 2 teilweise umgebenden, in den Figuren nicht dargestellten zweiten Gehäuse, welches als Außengehäuse dient.
An einer Seite des ersten Gehäuses 2 ist ein Fluideinlass 8 ausgebildet, von dem aus sich im Inneren des Innengehäuses 2 ein durchströmbarer Kanal 10 bis zu einem am entgegengesetzten Ende des ersten Gehäuses 2 ausgebildeten Fluidauslass 12 erstreckt. Dieser Kanal 10 ist von einem zu kühlenden Fluid durchströmbar. Die den Kanal 10 seitlich begrenzenden Wände 14 sowie ein Boden 15 des Gehäuseunterteils 6 und eine deckelförmige Wand 17 des Gehäuseoberteils 4 dienen als Trennung zu einem Kühlmittelkanal, der als Kühlmittelmantel zwischen dem Innengehäuse 2 und dem Außengehäuse ausgebildet ist.
In den Kanal 10 erstrecken sich senkrecht vom Boden 15 des Gehäuseunterteils 6 und der deckelförmigen Wand 17 des Gehäuseoberteils 4 Rippen 16, die im zusammengesetzten Zustand des Innengehäuses 2 in Reihen nebeneinander angeordnet sind. Diese Rippen 16 sind in Richtung vom Fluideinlass 8 zum Fluidauslass 12 des zu kühlenden Fluids unterbrochen und versetzt zur vorhergehenden Reihe angeordnet, so das eine gute Durchmischung des zu kühlenden Fluids erreicht wird und gleichzeitig Grenzschichtströmungen, die zu einer verminderten Kühlleistung führen würden, verhindert werden.
Des Weiteren ist in der dargestellten Ausführungsform der erste Kanal 10 durch eine Trennwand 18 in zwei erste Teilkanäle 10.1, 10.2 unterteilt, so dass im Falle der Verwendung als Abgaskühler die beiden Abgasströme aus zwei verschiedenen Zylindergruppen getrennt voneinander in den Wärmetauscher geführt werden können, wodurch Pulsationen zur Erhöhung des Durchsatzes erhalten bleiben.
Erfindungsgemäß sind zwischen den Rippen 16 zwei sich vom Fluideinlass 8 zum Fluidauslass 12 erstreckende Trennelemente 20 geklemmt, deren Höhe der Höhe des ersten Kanals 10 also dem Abstand zwischen dem Boden 15 des Gehäuseunterteils 6 und der deckelförmigen Wand 17 des Gehäuseoberteils 4 entspricht, von denen aus sich die Rippen 16 in den Kanal 10 erstrecken. Diese Trennelemente 20 sind als Trennbleche ausgeführt, die sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel in vier Abschnitte aufteilen.
Ein erster Abschnitt erstreckt sich vom Fluideinlass 8 ins Innere des Kanals 10 und ist im Wesentlichen gerade ausgebildet beziehungsweise nur derart gewellt ausgeführt, dass der Versatz zwischen den hintereinanderliegenden Reihen der Rippen 16 ausgeglichen wird. Im sich daran anschließenden und sich bis zum Fluidauslass erstreckenden Abschnitt ist das Trennblech 20 derart geformt, dass es nach dem Einsetzen in das Gehäuseunterteil 6 mit kleiner werdendem Abstand zum Fluidauslass 12 pro Rippenreihe stufenförmig auch einen geringeren Abstand zur Trennwand 18 aufweist. Am Fluideinlass 8 und am Fluidauslass 12 weisen beide Trennbleche 20 jeweils einen Abschnitt auf, der zur Haupterstreckungsrichtung der beiden anderen Abschnitte senkrecht in Richtung und bis zu den jeweiligen benachbarten seitlichen Wänden 14 verläuft. Diese Abschnitte verschließen entsprechend die beiden äußeren Bereiche des Kanals 10 am Fluideinlass 8 und am Fluidauslass 12.
Diese Anordnung hat zur Folge, dass der erste Kanal 10 beziehungsweise die zwei ersten Kanäle 10.1, 10.2 jeweils in einen ersten durchströmbaren Teilkanal 22.1, 22.2 und einen nicht durchströmbaren zweiten Teilkanal 24.1, 24.2 unterteilt werden.
Je nach Anwendungsfall beziehungsweise geforderter Kühlleistung des Wärmetauschers können diese Trennbleche 20 auf einfache Weise eingesetzt werden und so angeordnet werden, dass jeweils ein nicht benötigter Durchströmungsquerschnitt verschlossen bleibt. So kann bei großen Motorspreizungen mit unterschiedlichen Massenströmen und geforderten Kühlleistungen immer das gleiche Gehäuse verwendet werden, wodurch eine deutliche Kostenreduzierung erreicht wird. Die durch die Form und Anordnung der Trennbleche verwirklichte Form sichert eine konstante Strömungsgeschwindigkeit im Kanal, so dass eine geringe Versottung erzielt werden kann.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere muss keine Teilung des ersten Kanals in zwei erste Kanäle vorgesehen werden. Auch kann der Wärmetauscher U-förmig durchströmt werden, so dass die Trennelemente ebenfalls U-förmig ausgebildet sind und einen äußeren von einem inneren Teilkanal trennen. Des Weiteren können je nach Ausgestaltung verschieden viele durchströmte oder nicht durchströmte Teilkanäle mittels der Trennelemente abgetrennt werden. Selbstverständlich kann auch der Kühlmittelkanal im Innern eines vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanals angeordnet werden, so dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmte Kanal nach außen vom Außengehäuse begrenzt wird. Neben dem reinen Befestigen der Trennbleche durch Klemmen können diese auch stoffschlüssig an den Wänden, Böden oder Deckeln befestigt werden. Mehrere weitere konstruktive Modifikationen sind ebenfalls denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008036222 B3 [0004]
DE 102006012219 A1 [0006]

Claims

Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Gehäuse (2), welches ein Gehäuseoberteil (4) und ein Gehäuseunterteil (6) aufweist, einem zweiten Gehäuse, einem Fluideinlass (8) und einem Fluidauslass (12) im ersten Gehäuse (2), einem ersten Kanal (10), über welchen der Fluideinlass (8) mit dem Fluidauslass (12) verbunden ist, Rippen (16), die sich in den ersten Kanal (10) erstrecken und einem zweiten von einem Kühlmittel durchströmten Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Gehäuse (2) mindestens ein Trennelement (20) angeordnet ist, welches sich vom Fluideinlass (8) zum Fluidauslass (12) sowie über die Höhe des ersten Kanals (10) erstreckt und den ersten Kanal (10) in einen ersten, von einem zu kühlenden Fluid durchströmten Teilkanal (22.1, 22.2) und mindestens einen zweiten Teilkanal (24.1, 24.2) trennt, wobei der Fluideinlass (8) in zumindest den zweiten Teilkanal (24.1, 24.2) durch das Trennelement (20) kontinuierlich verschlossen ist.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (20) ein Trennblech ist, welches zwischen die Rippen (16) geklemmt ist.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (20) ein Trennblech ist, welches zwischen den Rippen (16) angeordnet und an den Rippen (16) oder an Wänden (14, 15, 17) des ersten Gehäuses (2) stoffschlüssig befestigt ist.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (20) derart zwischen den Rippen (16) angeordnet ist, dass der Querschnitt des ersten Teilkanals (22.1, 22.2) in Richtung vom Fluideinlass (8) zum Fluidauslass (12) verkleinert wird.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennblech (20) am Fluideinlass (8) und am Fluidauslass (12) im Wesentlichen senkrecht abgeknickt ausgebildet ist und einen Querschnitt des Fluideinlasses (8) und des Fluidauslasses (12) verschließt.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidauslass (12) an der zum Fluideinlass (8) gegenüber liegenden Seite des Gehäuses (2) angeordnet ist.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuseoberteil (4) und dem Gehäuseunterteil (6) zwei Trennbleche (20) angeordnet sind, die den im ersten Gehäuse (2) ausgebildeten Kanal (10) in zumindest den ersten Teilkanal (22.1, 22.2) und zwei zweiten Teilkanälen (24.1, 24.2) unterteilen, wobei der zumindest eine erste Teilkanal (22.1, 22.2) zwischen den beiden zweiten Teilkanälen (24.1, 24.2) angeordnet ist.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidauslass (12) und der Fluideinlass (8) nebeneinander angeordnet sind und der erste Teilkanal U-förmig durchströmt ist.
Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuseoberteil (4) und dem Gehäuseunterteil (6) ein U-förmiges Trennblech angeordnet ist.