DE102011050596A1

DE102011050596A1 - Wärmeübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011050596A1
Application number: DE102011050596A
Authority: DE
Inventors: Peter Corbach; Hans-Ulrich Kühnel
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: JP5968431B2; DE102011050596B4; JP2014516151A; US20140182825A1; CN103547877A; WO2012159806A1

Abstract

Es sind Wärmeübertragungsvorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Außengehäuse (2) und einem Innengehäuse (4), welches eine Trennwand (10) aufweist, durch welche ein innerer, von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal (14) von einem äußeren, zwischen dem Innengehäuse (4) und dem Außengehäuse (2) ausgebildeten Kühlmittelkanal (16) getrennt ist, Rippen (12), die sich von der Trennwand (10) in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal (14) erstrecken, Ausnehmungen (34), welche an der äußeren Oberfläche (32) der Trennwand (10) des Innengehäuses (4) ausgebildet sind und Vorsprünge (44), welche sich von einer zum Kühlmittelkanal (16) weisenden Innenwand (42) des Außengehäuses (2) derart in Richtung der Ausnehmungen (34) an der Trennwand (10) erstrecken, dass ein Querschnitt des Kühlmittelkanals (16) im Wesentlichen konstant ist, bekannt. Dabei weist das Außengehäuse häufig ein zu hohes Gewicht bei zu geringer Festigkeit auf. Um dieses Problem zu lösen, wird vorgeschlagen, die Vorsprünge (44) an der Innenwand (42) des Außengehäuses (2) durch Sicken (46) am Außengehäuse (2) zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Außengehäuse und einem Innengehäuse, welches eine Trennwand aufweist, durch welche ein innerer, von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal von einem äußeren, zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse ausgebildeten Kühlmittelkanal getrennt ist, Rippen, die sich von der Trennwand in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken, Ausnehmungen, welche an der äußeren Oberfläche der Trennwand des Innengehäuses ausgebildet sind und Vorsprünge, welche sich von einer zum Kühlmittelkanal weisenden Innenwand des Außengehäuses derart in Richtung der Ausnehmungen an der Trennwand erstrecken, dass ein Querschnitt des Kühlmittelkanals im Wesentlichen konstant ist.
Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise als Kühler in Verbrennungskraftmaschinen genutzt. Hier sind beispielsweise Anwendungen zur Kühlung des Abgases als auch zur Kühlung der Ladeluft bekannt. In beiden Fällen dient diese Kühlung der Verbesserung des Verbrennungsprozesses und somit einer Verminderung der Belastung des Abgases mit Schadstoffen.
Es ist bekannt, Wärmetauscher und hier insbesondere aus Druckguss hergestellte Wärmetauscher aus mehreren ineinander angeordneten Schalen herzustellen, von denen aus sich Rippen insbesondere in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal erstrecken. Dabei dient üblicherweise die Grundplatte, von der aus sich die Rippen erstrecken, als Trennwand zwischen dem Kühlmittelkanal und dem üblicherweise Gas führenden Kanal.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades sowie zur Vereinfachung des Gießprozesses ist es bekannt, die Trennwand des Innengehäuses wellenförmig auszubilden, um die Strömung des flüssigen Metalls im Gießprozess zu verbessern und die Oberflächen zur Wärmeübertragung zu erhöhen.
Des Weiteren ist es aus der DE 10 2007 008 865 A1 bekannt, bei einem solchen Wärmetauscher, der an der Trennwand Ausnehmungen aufweist, das Außengehäuse so zu gießen, dass ein im Wesentlichen konstanter Kühlmittelspalt entsteht, indem korrespondierende Vorsprünge an der Innenwand des Außengehäuses mit gegossen werden. So wird verhindert, dass im Querschnitt zur Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels unterschiedliche Strömungswiderstände entstehen, die zu einer ungleichmäßigen Durchströmung führen würden, so dass kältere und heißere Zonen im Wärmetauscher entstehen würden.
Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich das Gewicht des Außengehäuses durch die entstehenden Materialanhäufungen erhöht. Des Weiteren sind die Gehäuseteile häufig einem hohen Druck ausgesetzt, der dazu führt, dass die benötigte Festigkeit bei kleineren Wandstärken nicht erreicht wird.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Wärmetauscher zu schaffen, der eine möglichst hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht des Außengehäuses aufweist. Dabei soll ein gleichmäßiger Strömungswiderstand m Kühlmittelmantel erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst.
Dadurch, dass die Vorsprünge an der Innenwand des Außengehäuses durch Sicken am Außengehäuse gebildet sind, wird die benötigte Materialmenge bei mittels der Sicken erhöhter Festigkeit und verringertem Gewicht verringert. Die Ausbildung kann beispielsweise im Sandguss erfolgen. Gleichzeitig wird ein Kühlmittelkanal mit gleichmäßiger Durchströmung hergestellt, so dass ein guter Wirkungsgrad des Kühlers bei verringertem Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors aufgrund des geringeren Gewichts erzielt wird.
Vorzugsweise sind die Ausnehmungen jeweils zwischen den Rippenfüßen ausgebildet, wodurch die Kühlfläche vergrößert wird, so dass wiederum der Wirkungsgrad verbessert wird.
In einer hierzu alternativen Ausbildung sind die Ausnehmungen jeweils an den Rippenfüßen ausgebildet. Dies vereinfacht die Herstellung durch Verbesserung des Flusses des flüssigen Metalls beim Gießen. Es entstehen Gussteile mit gleichmäßigem Gefüge, wodurch wiederum die Festigkeit verbessert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind die Rippen in Strömungsrichtung in Reihen hintereinander angeordnet, wobei die Rippen hintereinander liegender Reihen versetzt zueinander angeordnet sind und die Sicken korrespondierend zu diesem Versatz ausgebildet sind. So werden Grenzschichten aufgelöst, so dass eine gute Durchmischung des zu kühlenden Fluids im vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal sichergestellt wird, was den Wirkungsgrad verbessert. Eine entsprechende Ausbildung der Sicken führt zu einer auch in dieser Ausführung im Querschnitt gleichmäßigen Durchströmung des Kühlmittelkanals, wodurch Toträume ohne Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlmittelkanal verhindert werden und wiederum der Wirkungsgrad verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zum Kühlmittelkanal weisende Oberfläche des Innengehäuses und die zum Kühlmittelkanal weisende Innenwand des Außengehäuses stetig ausgebildet, so dass keine Querschnittssprünge im vom Kühlfluid durchströmten Kanal entstehen, wodurch erneut der Druckverlust verringert wird und Totwassergebiete vermieden werden. So können Kühlmittelpumpen geringerer Leistung verwendet werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Innengehäuse im Druckgussverfahren und das Außengehäuse im Sandgussverfahren hergestellt ist. So kann der Wärmetauscher aus wenigen Gehäuseteilen aufgebaut und kostengünstig hergestellt werden.
Es wird deutlich, dass durch derartige Ausführungsformen einer Wärmeübertragungsvorrichtung der Kühlwirkungsgrad bei verbesserter Festigkeit und geringerem Materialaufwand zumindest beibehalten werden kann. Durch das reduzierte Gewicht werden Kosten für Rohstoffe eingespart und der Kraftstoffverbrauch gesenkt.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung von schräg oben in dreimdimensionaler Darstellung.
2 zeigt eine Kopfansicht der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß 1 in geschnittener Darstellung.
Die in den Figuren dargestellte Wärmeübertragungsvorrichtung besteht aus einem Außengehäuse 2, in welchem ein zweiteiliges Innengehäuse 4 mit einer Oberschale 6 und einer Unterschale 8, die durch Rührreibschweißen miteinander verbunden sind, angeordnet ist.
Sowohl die Oberschale 6 als auch die Unterschale 8 des Innengehäuses 4, welche beispielsweise jeweils im Druckgussverfahren hergestellt sind, weisen jeweils eine Trennwand 10 auf, von der aus sich Rippen 12 im Querschnitt abwechselnd von der Oberschale 6 und der Unterschale 8 in einen von einem zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 14 im Innern des Innengehäuses 4 erstrecken. Dieses Fluid kann beispielsweise das Abgas eines Verbrennungsmotors sein.
Das Innengehäuse 4 ist derartig in das Außengehäuse 2 geschoben, dass zwischen dem Innengehäuse 4 und dem Außengehäuse 2 ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlmittelkanal 16 gebildet wird, der durch die Trennwand 10 von dem vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 14 getrennt ist. Über Flanschverbindungen 18 wird das Innengehäuse 4 dicht mit dem Außengehäuse 2 verbunden, so dass der Kühlmittelkanal 16 als geschlossener Kühlmittelmantel ausgebildet ist.
Der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal 14 erstreckt sich von einem Einlass 20 an der Kopfseite der Wärmeübertragungsvorrichtung zu einem Auslass 22 an der gegenüberliegenden Seite der Wärmeübertragungsvorrichtung. Der Kanal 14 ist durch eine Mittelwand 24 in zwei Teilkanäle 26, 28 unterteilt, wobei der erste Teilkanal 26 mit einem Abgaskrümmer einer ersten Zylindergruppe verbunden ist und der zweite Teilkanal 28 mit einem Abgaskrümmer einer zweiten Zylindergruppe des Verbrennungsmotors verbunden ist. Durch diese Trennung werden Interferenzen zwischen den einzelnen ausgestoßenen Abgaspulsen verhindert, wodurch bei Verwendung nachgeschalteter Rückschlagklappen der Gesamtmassenstrom erhöht werden kann.
Die Mittelwand 24 erstreckt sich dabei von der Trennwand 10 der Unterschale 8 durchgängig bis in eine gegenüberliegende Nut 30, die in der Trennwand 10 der Oberschale 6 ausgebildet ist. Die Mittelwand 24 wird durch die Trennwand 10 hindurch in der Nut 30 mittels Rührreibschweißen befestigt, so dass ein Überströmen der Mittelwand 24 verhindert wird und gleichzeitig die Stabilität des Innengehäuses 4 durch Halbierung der vorhandenen Sprengflächen deutlich erhöht wird.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Trennwand 10 sowohl der Unterschale 8 als auch der Oberschale 6 des Innengehäuses 4 eine äußere wellenförmige Oberfläche 32 aufweist. Die wellenförmige Oberfläche 32 wird durch Ausnehmungen 34 zwischen Rippenfüßen 36 der hintereinanderliegenden Rippenreihen 38 erzielt. In den Bereichen der Oberfläche 32, welche in Längsrichtung zwischen den Rippenreihen 38 gelegen ist, weisen die Ausnehmungen 34 lediglich einen sich über diesen Bereich erstreckenden Versatz 40 auf, so dass mit Beginn der folgenden Rippenreihe 38, welche in gleicher Weise versetzt zur vorherigen angeordnet ist, die Ausnehmungen 34 erneut in den Zwischenräumen zwischen den Rippenfüßen 36 angeordnet ist.
Das beispielsweise im Sandgussverfahren hergestellte Außengehäuse 2 weist eine Innenwand 42 auf, welche korrespondierend zu den Ausnehmungen 34 des Innengehäuses 4 ausgestaltet ist. Dies bedeutet, dass in jede Ausnehmung 34 zwischen den Rippenfüßen 36 ein Vorsprung 44 ragt, so dass der Abstand der Oberfläche 32 des Innengehäuses 4 zur Innenwand 42 des Außengehäuses 2 überall im Wesentlichen gleich ist. Daraus folgt, dass der Durchströmungsquerschnitt sowohl in Strömungsrichtung als auch senkrecht zur Durchströmungsrichtung im Wesentlichen überall gleich ist. So werden konstante Kühlmittelströme mit gleichmäßigem Wärmeaustrag erreicht, da Totwassergebiete aufgrund des konstanten Strömungswiderstandes weitestgehend ausgeschlossen werden können, wodurch wiederum ein sehr guter Kühlwirkungsgrad erreicht wird.
Die Vorsprünge 44 werden erfindungsgemäß durch Sicken 46 gebildet, also durch rinnenförmige Vertiefungen 48 an einer Außenwand 50 des Außengehäuses 2 zur Erhöhung der Steifigkeit. Jeweils gegenüberliegend, also an der Innenwand 42, entsteht bei einer nachträglichen Ausbildung einer Sicke 46 ein Vorsprung 44 durch Verdrängung des Materials. Selbstverständlich kann diese Sickenform aber auch direkt im Gießprozess abgebildet werden, wodurch ebenfalls eine Erhöhung der Steifigkeit ohne Erhöhung des Materialbedarfs erreicht wird. Somit können dünnwandige Außengehäuse 2 mit ausreichender Festigkeit ausgebildet werden. Die Sicken folgen dabei mit ihrem Verlauf den Ausnehmungen 34 an der äußeren Oberfläche 32 des Innengehäuses 4.
Am Außengehäuse 2 ist zusätzlich ein Kühlmitteleinlassstutzen 52 sowie ein flanschförmiger Kühlmittelauslass 54 ausgebildet, wie aus 1 ersichtlich ist.
Eine derartig aufgebaute Wärmeübertragungsvorrichtung weist aufgrund der gleichmäßigen Durchströmung mit Kühlmittel einen guten Wirkungsgrad auf und ist gleichzeitig kostengünstig mit geringem Materialaufwand herzustellen. Durch das verringerte Gewicht kann Kraftstoff bei der Verwendung in einem Verbrennungsmotor eingespart werden.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann das Außengehäuse statt aus Sandguss beispielsweise aus Blech hergestellt und die Sicken nachträglich eingebracht werden. Des Weiteren ist es möglich, die Ausnehmungen am Innengehäuse jeweils an den Rippenfüßen auszubilden, wodurch die Gießbarkeit deutlich verbessert wird. Auch ist es selbstverständlich möglich, eine andere Aufteilung der unterschiedlichen Gehäuseteile vorzunehmen und insbesondere die Verbindungsebenen zu versetzen. Weitere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007008865 A1 [0005]

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Außengehäuse (2) und einem Innengehäuse (4), welches eine Trennwand (10) aufweist, durch welche ein innerer, von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal (14) von einem äußeren, zwischen dem Innengehäuse (4) und dem Außengehäuse (2) ausgebildeten Kühlmittelkanal (16) getrennt ist, Rippen (12), die sich von der Trennwand (10) in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal (14) erstrecken, Ausnehmungen (34), welche an der äußeren Oberfläche (32) der Trennwand (10) des Innengehäuses (4) ausgebildet sind und Vorsprünge (44), welche sich von einer zum Kühlmittelkanal (16) weisenden Innenwand (42) des Außengehäuses (2) derart in Richtung der Ausnehmungen (34) an der Trennwand (10) erstrecken, dass ein Querschnitt des Kühlmittelkanals (16) im Wesentlichen konstant ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (44) an der Innenwand (42) des Außengehäuses (2) durch Sicken (46) am Außengehäuse (2) gebildet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (34) jeweils zwischen Rippenfüßen (36) ausgebildet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (34) jeweils an den Rippenfüßen (36) ausgebildet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (12) in Strömungsrichtung des zu kühlenden Fluids in Reihen hintereinander angeordnet sind, wobei die Rippen (12) hintereinander liegender Rippenreihen (38) versetzt zueinander angeordnet sind und die Sicken (46) korrespondierend zu diesem Versatz (40) ausgebildet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kühlmittelkanal (16) weisende Oberfläche (32) des Innengehäuses (4) und die zum Kühlmittelkanal (16) weisende Innenwand (42) des Außengehäuses (2) stetig ausgebildet sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (4) im Druckgussverfahren hergestellt ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (2) im Sandgussverfahren hergestellt ist.