DE102013205267A1

DE102013205267A1 - Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102013205267A1
Application number: DE102013205267A
Authority: DE
Inventors: Anthony Bernard Demots; Martin James Styles
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-10-10
Also published as: GB2500871B; GB2500871A; CN103363816A; US20130263829A1; GB201220564D0; GB201204677D0; RU2633280C2; GB2500955B; GB2500955A; US9593647B2; RU2013114361A

Abstract

Ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher wird offenbart, der einen trapezförmigen Rippen- und Rohrblock 15, 115 aufweist, der eine Anzahl von Luftströmungskanälen aufweist, durch welche zu kühlende Luft geleitet wird. Die Trapezform des Wärmetauschers wird durch Verwenden von Luftströmungskanälen mit nicht gleichförmigem Strömungsbereich erzeugt, die sich von einem Einlass- zu einem Auslassende verjüngen. Durch Verwenden solcher Kanäle mit nicht gleichförmigem Strömungsbereich kann der Wärmetauscher im Hinblick auf die Gehäusegröße, den Druckabfall und die Wärmeübertragungseffizienz derart optimiert werden, dass er für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.

Description

Diese Erfindung betrifft Wärmetauscher und insbesondere einen Wärmetauscher zur Verwendung als einen Motorladeluftkühler.
Bekanntermaßen ist ein verstärkter Motor eines Motorfahrzeugs mit einem Ladeluftkühler versehen, um die Luft zu kühlen, bevor diese in den Motor angesaugt wird. In einer herkömmlichen Anordnung ist der Ladeluftkühler (der oft als Zwischenkühler bezeichnet wird) an der Vorderseite des Motorfahrzeugs befestigt, wobei die Ladeluft durch Luft gekühlt wird, die darüber geleitet wird, während sich der Motor durch die Luft bewegt. Solche Zwischenkühler müssen aufgrund ihrer geringen Effizienz groß sein, sind an dem Motorfahrzeug schwer unterzubringen und erfordern Luftströmungsleitungen mit großem Durchmesser, die sich von der Vorderseite des Fahrzeugs zu dem Motor und der Ladeluftquelle erstrecken. Sofern nicht ein Mittel zum Pressen von Luft durch den Zwischenkühler bereitgestellt ist, ist darüber hinaus die verfügbare Kühlungsmenge sehr eingeschränkt, wenn das Motorfahrzeug steht oder bei niedriger Geschwindigkeit fährt. Außerdem ist die verfügbare Kühlmenge durch die Temperatur der Umgebungsluft beeinflusst, die durch den Ladekühler tritt, sodass, wenn der Motor bei einer hohen Last bei einer hohen Umgebungstemperatur arbeiten muss, ein größerer Ladekühler, als für den Betrieb bei einer niedrigeren Umgebungstemperatur erforderlich wäre, benutzt werden muss.
Um solche Probleme zu überwinden wird bekanntermaßen ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher bereitgestellt, der oft als ein wassergekühlter Ladeluftkühler (Water Cooled Charge Air Cooler = WCCAC) bezeichnet wird, um die Ladeluft zu kühlen, bevor sie in den Motor gesogen wird. Mit einem solchen WCCAC-Kühler tritt die Ladeluft durch eine Umhüllung oder ein Gehäuse, um die Luft zu kühlen. Das Gehäuse enthält einen Wärmetauscher mit einer Anzahl von Kanälen, durch welche flüssiges Kühlmittel tritt, und Rippen, die mit den Kanälen, über welche die Ladeluft zur Kühlung geleitet wird, thermisch verbunden sind.
Solche bekannten Wärmetauscher sind in der Regel rechteckig oder quadratisch, wobei der Ladeluft-Strömungsbereich des Wärmetauschers, an dem die Ladeluft in den Wärmetauscher eintritt, im Wesentlichen der gleiche ist wie der Ladeluft-Strömungsbereich, an dem die Ladeluft aus dem Wärmetauscher austritt.
Da sich die Rippen in dem Ladeluftstrom befinden, haben die Erfinder erkannt, dass eine Möglichkeit zur Anpassung der Rippen besteht, um die Effizienz des Wärmetauschers zu erhöhen.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Wärmetauscher vom Luft-Flüssigkeits-Typ mit verbesserter Effizienz bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit einem Rippen- und Rohrblock bereitgestellt, der angeordnet ist, um einen Luftstrom aus einem Lufteinlassende des Rippen- und Rohrblocks zu einem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks aufzunehmen, wobei der Luftströmungsbereich an dem Lufteinlassende des Rippen- und Rohrblocks größer als der Luftströmungsbereich an dem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks ist.
Der Rippen- und Rohrblock kann eine erste Breite an dem Lufteinlassende und eine zweite Breite an dem Luftauslassende aufweisen, wobei die erste Breite größer als die zweite Breite ist.
Der Rippen- und Rohrblick kann eine trapezförmiger Rippen- und Rohrblock sein.
Der Rippen- und Rohrblock kann eine Anzahl von Wärmeübertragungseinheiten, durch welche während des Gebrauchs eine Wärmeübertragungsflüssigkeit in einer Querrichtung des Rohr- und Rippenblocks strömt, und Rippeneinheiten umfassen, die zwischen benachbarten Wärmeübertragungseinheiten eingefügt sind, die Luftströmungskanäle definieren, durch welche Luft während des Gebrauchs in einer Längsrichtung des Rippen- und Rohrblocks aus dem Lufteinlassende zu dem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks strömt.
Die Wärmeübertragungseinheiten können parallel zueinander angeordnet sein, um Spalte dazwischen zu definieren, in denen sich die Rippeneinheiten befinden.
Jede Fluidübertragungseinheit kann eine flache Platte mit einer Anzahl von Kanälen umfassen, die darin in einer nebeneinander liegenden Beziehung einstückig ausgebildet sind, wobei jede Fluidübertragungseinheit derart ausgerichtet ist, dass sich die Kanäle in der Querrichtung des Rippen- und Rohrblocks erstrecken.
Jede der flachen Platten kann trapezförmig sein.
Jede Rippeneinheit kann eine Anzahl von Rippen aufweisen, die die Luftströmungskanäle definieren, wobei die Rippen in der Richtung der Luftströmung durch den Rippen- und Rohrblock derart zusammenlaufen, dass die Teilung der Rippen an dem Lufteinlassende des Rippen- und Rohrblocks größer als die Teilung der Rippen an dem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks ist. Jede Rippeneinheit kann eine gewellte Rippeneinheit sein, die eine gewellte Lamellenplatte umfasst, die eine Anzahl von Rippen bildet.
Der Wärmetauscher kann ein Ladeluftkühler für einen Motor sein und die Luft, die durch den Rippen- und Rohrblock strömt, kann eine Ladeluft für den Motor sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Motorsystem bereitgestellt, umfassend einen Verbrennungsmotor, eine Ladeluftzufuhr für den Motor und einen Zwischenkühler zum Kühlen der Luft, die zu dem Motor strömt, wobei der Zwischenkühler ein versiegeltes Gehäuse umfasst, das durch einen Auslass mit einem Lufteinlass des Motors verbunden ist, wobei ein Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in dem Gehäuse befestigt ist, wobei das Gehäuse angeordnet ist, um eine Ladeluftzufuhr aufzunehmen und Ladeluft durch den Auslass des Gehäuses an den Motor zu leiten.
Das System kann ferner einen Luftdruckverstärker umfassen, um den Druck der Ladeluft zu erhöhen, und der Zwischenkühler kann zum Kühlen der Ladeluft, die aus dem Verstärker zu dem Motor strömt, angeordnet sein.
Der Verstärker kann ein Turbolader sein.
Das System kann ferner ein Kühlsystem für den Motor auf weisen, wobei flüssiges Kühlmittel von dem Kühlsystem des Motors an den Wärmetauscher geleitet wird.
Die Erfindung wird nun in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen rein beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Motorsystems gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung mit einem Wärmetauscher gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung;
2a eine schematische Draufsicht eines Wärmetauschers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
2b eine Endansicht des Wärmetauschers, der in 2a in der Richtung des Pfeils „X“ dargestellt ist, die in 2a ein Einlassende des Wärmetauschers darstellt;
2c eine Endansicht des Wärmetauschers, der in 2a in der Richtung des Pfeils „Y“ dargestellt ist, die in 2a ein Auslassende des Wärmetauschers darstellt;
2d eine Seitenansicht des Wärmetauschers, der in 2a in der Richtung des Pfeils „Z“ in 2a dargestellt ist;
3 eine grafische Darstellung einer Ladeluftkühleranordnung für einen verstärkten Motor mit einem Wärmetauscher des Typs, der in 2a bis 2d dargestellt ist;
4 eine Draufsicht der Zwischenkühleranordnung, die in 3 dargestellt ist und die Richtung eines flüssigen Kühlmittelstroms durch den Wärmetauscher und die Richtung eines Ladeluftstroms durch den Wärmetauscher darstellt;
5a eine grafische Darstellung eines Luft-Flüssigkeits-Wärmetauschers des Standes der Technik;
5b eine Draufsicht des in 5a dargestellten Wärmetauschers, die die Richtung des Ladeluftstroms durch den Wärmetauscher darstellt;
5c ein Schaubild, das die Geschwindigkeit der Ladeluft darstellt, während diese durch den Wärmetauscher tritt, der in 5a dargestellt ist;
5d ein Schaubild, das die Temperatur der Ladeluft darstellt, während diese durch den Wärmetauscher tritt, der in 5a dargestellt ist;
5e ein Schaubild, das die Flügel- oder Rippendichte des Wärmetauschers darstellt, der in 5a dargestellt ist;
6a eine grafische Darstellung eines Luft-Flüssigkeits-Wärmetauschers, der gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung konstruiert ist;
6b eine Draufsicht des in 6a dargestellten Wärmetauschers, die die Richtung des Ladeluftstroms durch den Wärmetauscher darstellt;
6c ein Schaubild, das die Geschwindigkeit der Ladeluft darstellt, während diese durch den Wärmetauscher tritt, der in 6a dargestellt ist;
6d ein Schaubild, das die Temperatur der Ladeluft darstellt, während diese durch den Wärmetauscher tritt, der in 6a dargestellt ist; und
6e ein Schaubild, das die Flügel- oder Rippendichte des Wärmetauschers darstellt, der in 6a dargestellt ist.
Zunächst in Bezug auf 1 ist ein Motorsystem 5 mit einem verstärkten Motor 10 dargestellt. Der Motor 10 wird in diesem Fall von einem Turbolader 20 verstärkt, der eine Abgasturbine 21 aufweist, die einen Luftverdichter 22 antreibt. Man wird jedoch zu schätzen wissen, dass der Turbolader 20 durch einen Kompressor (nicht dargestellt) ersetzt werden könnte.
Abgas tritt aus dem Motor aus, wie durch den Pfeil „A“ angegeben, strömt durch die Turbine 21 und bewirkt, dass diese den Luftverdichter 22 dreht, wie im Stand der Technik wohl bekannt ist. Nach Durchlaufen der Turbine 21 tritt das Abgas in die Atmosphäre aus, wie durch den Pfeil „B“ angegeben, nachdem es im Normalfall eine oder mehrere emissionsmindernde Vorrichtungen (nicht dargestellt) und einen oder mehrere Auspufftöpfe (nicht dargestellt) durchlaufen hat.
Durch die Drehung des Luftverdichters 22 wird Luft durch einen Luftfilter 12 gesogen, wie durch den Pfeil „C“ dargestellt. Die Luft wird in dem Luftverdichter 22 verdichtet und strömt als Ladeluft aus, wie durch den Pfeil „D“ angegeben, und strömt durch ein Luftübertragungsrohr 13, um so in ein versiegeltes Gehäuse 14 (in 1 in gepunkteter Linie dargestellt) einzutreten, wie durch den Pfeil „E“ angegeben. Ein trapezförmiger Wärmetauscher 15 ist in dem versiegelten Gehäuse 14 befestigt und Ladeluft tritt in den Wärmetauscher 15 an einem Einlassende 15a ein und tritt aus dem Wärmetauscher an einem Auslassende 15b aus. Eine Zufuhr von flüssigem Kühlmittel wie Wasser aus einem Kühlsystem (in 1 mit gepunkteter und gestrichelter Linie dargestellt) des Motors 10 zirkuliert durch den Wärmetauscher 15, um die Ladeluft zu kühlen, die dadurch geleitet wird, wie durch den Pfeil „G“ angegeben. Nach Austreten aus dem Wärmetauscher 15 strömt die gekühlte Ladeluft direkt zu einem Einlasskrümmer des Motors 10, wie durch den Pfeil „F“ angegeben. Es sei daraufhingewiesen, dass das Gehäuse 14 mit dem Lufteinlass des Motors 10 kurzgekuppelt ist, sodass die Menge der erforderlichen Luftleitungen erheblich verringert wird. Wie im Stand der Technik wohl bekannt ist, wird man zu schätzen wissen, dass das Motorkühlsystem 11 einen oder mehrere Kühler, eine Kühlmittelumwälzpumpe und Ventilmittel zum Steuern des Kühlmittelstroms durch den bzw. die Kühler und Motor 10 aufweisen.
Mit Bezug auf 2a bis 2d ist ein Wärmetauscher mit trapezförmigem Rippen- und Rohrblock dargestellt, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist.
Der Rippen- und Rohrblock 15 weist ein Lufteinlassende 15a mit der Breite „W1“ und einer Gesamthöhe „Ht“, ein Luftauslassende 15b mit einer Breite „W2“ und einer Gesamthöher „Ht“ und einer Länge „L“ auf.
Der Rohr- und Rippenblock 15 umfasst eine Anzahl von Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34, durch welche während des Gebrauchs ein flüssiges Wärmeübertragungsfluid wie wasserbasiertes Kühlmittel in einer Querrichtung des Rohr- und Rippenblocks 15 strömt.
Rippeneinheiten 41, 42 und 43 sind zwischen benachbarten Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 eingefügt, wobei jede Rippeneinheit 41, 42 und 43 eine Anzahl von Flügeln oder Rippen aufweist, die Luftströmungskanäle definieren, durch welche während des Gebrauchs Luft in einer im Allgemeinen längs verlaufenden Richtung des Rohr- und Rippenblocks 15 von dem Lufteinlassende 15a zu dem Luftauslassende 15b strömt.
Die Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 sind parallel zueinander angeordnet, um gleichförmige Spalte mit der Höhe „H“ dazwischen zu definieren, in welche die Rippeneinheiten 41, 42 und 43 eingepasst sind.
Jede Wärmeübertragungseinheit 31, 32, 33 und 34 umfasst eine flache wärmeleitfähige Metallplatte mit einer Anzahl von Kanälen, die darin in einer nebeneinander liegenden Beziehung einstückig ausgebildet sind. Das heißt, eine Anzahl von Mikrobohrungen erstreckt sich durch jede flache Platte, und diese Mikrobohrungen bilden Kanäle, durch welche während des Gebrauchs flüssiges Kühlmittel strömt. Die Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 können durch Extrudieren von Aluminium oder eines Aluminiumlegierungsmaterials mit integrierten Mikrobohrungen in geeigneter Weise hergestellt werden.
Man wird zu schätzen wissen, dass jede Wärmeübertragungseinheit 31, 32, 33 und 34 alternativ durch eine Anzahl einzelner Rohre ausgebildet sein könnte, die in einer nebeneinander liegenden Beziehung angeordnet und durch Hartlöten aneinander befestigt sind, um ein Rohrbündel zu bilden. Allerdings wird die Verwendung einer Platte mit Mikrobohrungen dank der im Vergleich zu der Verwendung eines Rohrbündels einfachen Herstellung und reduzierten Komplexität bevorzugt.
Ungeachtet der für jede Wärmeübertragungseinheit 31, 32, 33 und 34 gewählten Bauweise sind die Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 derart ausgerichtet, dass sich die Kanäle in einer Querrichtung des Rippen- und Rohrblocks 15 erstrecken. Das heißt, die Strömung des flüssigen Kühlmittels durch die Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 ist in Bezug auf die Luftströmung durch den Rippen- und Rohrblock 15 in Querrichtung angeordnet.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist jede Rippeneinheit eine gewellte Rippeneinheit 41, 42 und 43, die eine einzige gewellte Lamellenplatte umfasst, die aus einem wärmeleitfähigen Material wie Aluminium oder einer Legierung davon gefertigt ist. Jede gewellte Lamellenplatte ist mit den jeweiligen benachbarten Wärmeübertragungseinheiten 31, 32; 32, 33; und 33, 34 durch Hartlötung verbunden. Die Verwendung eines dünnen, stark wärmeleitenden Plattenmaterials für die gewellten Rippeneinheiten 41, 42 und 43 und die Befestigung der gewellten Rippeneinheiten 41, 42 und 43 an den Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 gewährleistet eine gute Wärmeleitung aus der Luft, die durch den Rippen- und Rohrblock 15 durch die gewellten Rippeneinheiten 41, 42 und 43 zu den Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 strömt, sodass die Kühlung der Luft maximiert wird, während diese durch den Rippen- und Rohrblock strömt.
Außerdem wird durch Befestigen der Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 und der gewellten Rippeneinheiten 41, 42 und 43 aneinander ein Rippen- und Rohrblock 15 erzeugt, der ohne die Notwendigkeit eines Verstärkungsrahmens eine gute mechanische Festigkeit aufweist.
Wie am besten in 2a, 3 und 4 zu sehen ist, ist jede der flachen Platten, die die Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 bilden, trapezförmig und liegt in diesem Fall in Form eines Trapezes vor. Die Umfangskanten der gewellten Rippeneinheiten 41, 42 und 43 weisen eine ähnliche Trapezform auf.
Die einzelnen Rippen jeder Rippeneinheit 41, 42 und 43 laufen in der Richtung des Luftstroms durch den Rippen- und Rohrblock 15 derart zusammen, dass die Teilung P1 der Rippen an dem Lufteinlassende 15a des Rippen- und Rohrblocks 15 größer ist als die Teilung P2 an dem Luftauslassende 15b des Rippen- und Rohrblocks 15. Das heißt, die Dichte der Rippen an dem Luftauslassende 15b ist größer als die Dichte der Rippen an dem Lufteinlassende 15a.
Wenngleich die Rippeneinheiten in dieser bevorzugten Ausführungsform aus einer einzigen gewellten stark wärmeleitenden Metallplatte gebildet sind, wird man zu schätzen wissen, dass separate Rippen, die einzeln an den Wärmeübertragungseinheiten 31, 32, 33 und 34 befestigt sind, verwendet werden könnten; allerdings wären dann die Komplexität und die Fertigungskosten erheblich höher.
3 und 4 stellen die Verwendung eines Rippen- und Rohr-Wärmetauschers der oben beschriebenen Art als Teil eines Luftladekühlers oder Zwischenkühlers für einen verstärkten Motor wie den Motor 10 dar, der in 1 dargestellt ist.
Die Konstruktion des Rippen- und Rohrblocks 115 ist die gleiche wie die des Rippen- und Rohrblocks 15, der in 2a bis 2d dargestellt ist, außer dass fünf und nicht vier Wärmeübertragungseinheiten 131, 132, 133, 134 und 135 und vier und nicht drei Rippeneinheiten 141, 142, 143 und 144 vorhanden sind.
Ein Verteiler 16 für flüssiges Kühlmittel passt über ein Ende des Rippen- und Rohrblocks 115 und ist daran abdichtend befestigt und ein Kühlmittelübertragungsbehälter 20 passt über ein gegenüberliegendes Ende des Rippen- und Rohrblocks 115 und ist daran abdichtend befestigt.
Der Kühlmittelverteiler 16 und der Kühlmittelübertragungsbehälter 20 sind beide durch Hartlötung an den Enden der Wärmeübertragungseinheiten 131, 132, 133, 134 und 135 und den Rippeneinheiten 141, 142, 143, 144 und 145 des Rippen- und Rohrblocks 115 abdichtend befestigt.
Kühlmittel wie Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch wird von einer Kühlmittelzufuhr wie dem Kühlsystem 11 des Motors 10 zu dem Verteiler 16 für flüssiges Kühlmittel durch ein Rohr 17 geleitet und durch ein Auslassrohr 18 zu dem Kühlsystem 11 zurückgeleitet. Der Kühlmittelverteiler 16 weist eine innere Abtrennung 19 auf, die mit dem jeweiligen Ende des Rippen- und Rohrblocks 115 abdichtend verbunden ist, an dem der Kühlmittelverteiler 16 befestigt ist. Im Hinblick auf die Kühlmittelströmung teilt die Abtrennung 19 den Kühlmittelverteiler 16 in Einlass- und Auslassseiten auf und teilt den Rippen- und Rohrblock 115 in hintere und vordere Abschnitte 115R und 115F auf.
Wie durch die Pfeile in 4 dargestellt, strömt flüssiges Kühlmittel während des Gebrauchs in alle Kanäle der Wärmeübertragungseinheiten 131, 132, 133, 134 und 135 durch das Einlassrohr 17 und die Einlassseite des Kühlmittelverteilers 16 in den hinteren Abschnitt 115R durch die jeweiligen Kanäle und hinaus in den Übertragungsbehälter 20, und vollendet so einen ersten Durchlauf durch den Rippen- und Rohr-Wärmetauscher 115. Danach strömt das Kühlmittel von dem Übertragungsbehälter 20 durch alle Kanäle der Wärmeübertragungseinheiten 131, 132, 133, 134 und 135 in den vorderen Abschnitt 115F des Rippen- und Rohrblocks 115 in die Auslassseite des Kühlmittelverteilers 16, und vollendet so einen zweiten Durchlauf durch den Rippen- und Rohrblock 115 und dann hinaus durch das Auslassrohr 18.
In dem Wärmetauscher, der durch den Rippen- und Rohrblock 115 ausgebildet ist, sind der Kühlmittelverteiler 16 und der Übertragungsbehälter 20 in ein versiegeltes Metallgehäuse (nicht dargestellt) eingepasst, um in Kombinationen eine Luftladekühler- oder Zwischenkühleranordnung zu bilden.
Wenngleich die Erfindung beispielhaft anhand einer Ausführungsform mit einem separaten Gehäuse beschrieben ist, wird man zu schätzen wissen, dass das Gehäuse teilweise als ein fester Bestandteil des Rippen- und Rohrblocks 115 mit an dem Lufteinlass- und Luftauslassende befestigten Endbehältern ausgebildet sein könnte. Das Gehäuse weist einen Einlass, um Ladeluft in das Gehäuse aufzunehmen, und einen Auslass auf, um gekühlte Ladeluft aus dem Gehäuse austreten zu lassen. Der Auslass des Gehäuses ist mit einem Einlasskrümmer oder einem anderen Ansauggehäuse des Motors 10 verbunden, um den Abstand zwischen der Zwischenkühleranordnung und dem Motor 10 zu minimieren. Ladeluft, die durch das Gehäuse tritt, muss durch den Rippen- und Rohrblock 115 strömen, wodurch die Ladeluft gekühlt und zur Ansaugung von dem Motor 10 bereit ist. Das Einlass- und das Auslassrohr 17 und 18 erstrecken sich durch eine der Wände, die das Gehäuse bilden, und sind an dem Gehäuse abgedichtet, um zu verhindern, dass Luft aus dem Gehäuse austritt.
Man wird zu schätzen wissen, dass andere Strömungsweganordnungen für flüssiges Kühlmittel verwendet werden könnten und dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Strömungsweganordnungen für flüssiges Kühlmittel oder die Verwendung eines Kühlmittelverteilers und Übertragungsbehälters der dargestellten und beschriebenen Art eingeschränkt ist.
Die vorteilhaften Wirkungen eines Wärmetauschers, der gemäß dieser Erfindung konstruiert ist, werden nun in Bezug auf 5a bis 5e und 6a bis 6e beschrieben, die jeweilige Figuren für einen rechteckigen Rippen- und Rohrblock 1 des Standes der Technik und einen oben beschriebenen trapezförmigen Rippen- und Rohrblock 115 sind.
Aus Kostengründen und der Einfachheit halber weisen bekannte Wärmetauscher im Normalfall gerade Rippen auf und sind in quadratischen oder rechteckigen Anordnungen wie der rechteckigen Anordnung 1 angeordnet, die in 5a und 5b dargestellt ist.
Als Beispiel und ohne Einschränkung muss die Zwischenkühleranordnung für eine typische Ladeluftkühleranwendung die Ladeluft von ungefähr 180 °C (453 °K) auf ungefähr 45 °C (318 °K) abkühlen.
Wenn die Ladeluft abgekühlt ist, zieht sie sich zusammen und erhöht ihre Dichte. Da sie sich zusammenzieht, während sie durch den Zwischenkühler tritt, verringert sich die Geschwindigkeit der Ladeluft.
Diese Geschwindigkeitsvariation kann anhand der boyleschen idealen Gasgleichung geschätzt werden: P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ Gleichung 1 Worin:-

V₁: das Volumen der Luft ist, die in den Zwischenkühler eintritt;
V₂: das Volumen der Luft ist, die aus dem Zwischenkühler austritt;
T₁: die Temperatur ist, die in den Zwischenkühler eintritt;
T₂: die Temperatur ist, die aus dem Zwischenkühler austritt;
P₁: der Druck der Luft ist, die in den Zwischenkühler eintritt; und
P₂: der Druck der Luft ist, die aus dem Zwischenkühler austritt.

Bei einer Strömung durch einen Zwischenkühler kann unter der Annahme, dass P₁ = P₂ ist, ein ungefähres Ergebnis erhalten werden.
Durch Umformung von Gleichung 1 ergibt sich V₂ = V₁·(T₂/T₁) = V₁·(318/453) = 0,7V₁ Gleichung 2
Daher beträgt das Luftvolumen in diesem Beispiel an dem Auslass des Rohr- und Rippenblocks 1 ungefähr 30 % weniger als das Luftvolumen an dem Einlass des Zwischenkühlers.
Anhand der Fluidströmungskontinuitätsgleichung: Q = ρ·A·U Gleichung 3 kann abgeleitet werden, dass bei einer konstanten Massenströmungsrate durch eine Leitung Folgendes gilt: ρ₁·A₁·U₁ = ρ₂·A₂·U₂ die wie folgt umgeformt werden kann: U₁ = (ρ₂·A₂·U₂)/(ρ₁·A₁)
Wenn ferner die Strömungsbereiche am Eingang und Ausgang der Leitung gleich sind, reduziert sich dies auf Folgendes: U₁ = (ρ₂/ρ₁)·U₂ Gleichung 4
Ferner werden das Ergebnis aus Gleichung 2 und die folgenden Beziehungen verwendet:
ρ₁ = 1/V₁ und ρ₂ = 1/V₂ und Substitution zu Gleichung 4
Worin:-

Q: = Massenströmungsrate durch eine Leitung;
ρ₁und ρ₂: = Gasdichte am Eingang bzw. Ausgang einer Leitung;
A₁und A₂: = Bereich der tatsächlichen Strömung durch die Leitung am Eingang bzw. Ausgang; und
U₁ und U₂: = Strömungsgeschwindigkeit durch die Leitung am Eingang bzw. Ausgang.

Es lässt sich ableiten, dass für einen Wärmetauscher des Standes der Technik der in 5a dargestellten Art die Geschwindigkeit der Luft auch am Auslass ungefähr 30 % geringer ist, wie in 5c dargestellt.
Dies beruht darauf, dass der Luftströmungsbereich an dem Einlass und dem Auslass eines solchen Wärmetauschers der gleiche ist und die Rippen- oder Flügelbauteildichte konstant ist, wie in 5e dargestellt.
Da der Luftwiderstand und Druckabfall mit der Geschwindigkeit im Quadrat in Beziehung stehen, können sich die Luftwiderstandsverluste in diesem Fall erwartungsgemäß halbieren. Das heißt, der Widerstand am Auslass beträgt 0,7² ~ 0,5 des Einlasswiderstands.
5d stellt den Temperaturabfall dar, während die Luft durch den Rippen- und Rohrblock 1 tritt.
Für eine Anordnung des Standes der Technik, die Kanäle mit konstantem Luftströmungsbereich aufweist, verringert sich daher die Geschwindigkeit erheblich, während die Luft durch den Rippen- und Rohrblock 1 tritt, da der Rippenabstand konstant ist und eine solche Anordnung nicht optimal ist.
Wie in 6a und 6b dargestellt, liegt durch Variieren des Abstands oder der Teilung der Rippen unter Verwendung eines breiteren Abstands an dem Einlassende gegenüber dem Auslassende eine im Vergleich zu dem Rippen- und Rohrblock 1 des Standes der Technik (vgl. 6c mit 5c) geringere Reduzierung der Luftgeschwindigkeit vor.
Da an den Einlass- und Auslassenden des trapezförmigen Rippen- und Rohrblocks 115 die gleiche Anzahl von Rippen und somit die gleiche Anzahl von Luftströmungskanälen vorhanden ist, ist die Breite des Rippen- und Rohrblocks an dem Einlassende größer als an dem Auslassende (siehe Bezugszeichen „W1“ und „W2“ in 2a, 2b und 2c) und die Höhe der Rippen ist konstant, was bedeutet, dass der Luftströmungsbereich an dem Einlassende des Rohr- und Rippenblocks 115 größer als an dem Auslassende ist.
Die Luftströmungsbereiche für den Rippen- und Rohrblock 15, der in 2a und 2b dargestellt ist, kann wie folgt berechnet werden. AA₁ = (3·H·W1) – (Af₁); und AA₂ = (3·H·W2) – (Af₂) Worin:-

AA₁: = Luftströmungsbereich an dem Einlassende des trapezförmigen Rippen- und Rohrblocks;
H: = Höhe der Rippen;
W1: = Breite an dem Einlassende des trapezförmigen Rippen- und Rohrblocks, die dem Luftstrom ausgesetzt ist;
Af₁: = Gesamtbereich der Rippen, die die Strömung an dem Einlassende des trapezförmigen Rippen- und Rohrblocks blockieren;
AA₂: = Luftströmungsbereich an dem Auslassende des trapezförmigen Rippen- und Rohrblocks;
H: = Höhe der Rippen;
W2: = Breite an dem Auslassende des trapezförmigen Rippen- und Rohrblocks, die dem Luftstrom ausgesetzt ist; und
Af₂: = Gesamtbereich der Rippen, die die Strömung an dem Auslassende des trapezförmigen Rippen- und Rohrblocks blockieren.

Da W1 größer als W2 ist und alle anderen ganzen Zahlen im Wesentlichen konstant sind, ist der Luftströmungsbereich an dem Einlassende größer als der Luftströmungsbereich an dem Auslassende.
Daher kann durch die Verwendung eines Wärmetauschers, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Auslassströmungsbereich kleiner ist als der Einlassströmungsbereich, der Wärmetauscher derart optimiert werden, dass er für die jeweilige Anwendung im Hinblick auf Gehäusegröße, Druckabfall und Wärmeeffizienz geeignet ist.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass durch Ausgleichen der Gehäusegröße, des Druckabfalls und der Wärmeeffizienz ein Wärmetauscher mit idealisierter Leistung für die jeweilige Anwendung hergestellt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Trapezform ist, dass ein auf diese Weise konstruierter Wärmetauscher die Luft an eine Stelle leitet, sodass die Luftströmung in nachgeschaltete Komponenten verbessert wird.
Je nach der Art und Weise, auf welcher der Wärmetauscher optimiert ist, kann die Erfindung die folgenden weiteren Vorteile aufweisen:

• kleineres Gehäusevolumen bei gleicher Kühlwirkung;
• geringeres Gewicht aufgrund reduzierter Größe;
• effizientere Kühlung;
• minimale oder keine Stückkosten im Vergleich zu einem Wärmetauscher des Standes der Technik für die gleiche Verwendung.

Wenngleich die Erfindung in Bezug auf ihre Verwendung als ein Zwischenkühler für einen verstärkten Motor beschrieben wurde, wird man zu schätzen Wissen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung als ein Zwischenkühler eingeschränkt ist und dass die Erfindung vorteilhaft auf andere Verwendungen angewendet werden kann.
Man wird ferner zu schätzen wissen, dass das Material, aus dem der Rippen- und Rohrblock konstruiert ist, nicht Aluminium oder eine Legierung davon sein muss und dass andere Metalle mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und geeigneten mechanischen Eigenschaften benutzt werden könnten.
Wenngleich die Erfindung in Bezug auf die Verwendung eines Wärmetauschers mit einer Trapezform, die zu jeder Seite einer Längsachse gleiche Winkel aufweist, die eine Achsensymmetrie bilden, dargestellt und beschrieben wurde, wird man zu schätzen wissen, dass andere Formen verwendet werden könnten, um einen Wärmetauscher mit unterschiedlichen Einlass- und Auslassbereichen herzustellen, und dass die Erfindung nicht auf einen trapezförmigen Wärmetauscher mit gleichen Winkeln eingeschränkt ist.
Man wird ferner zu schätzen wissen, dass die Anordnung der Rippen nicht unbedingt „V“-förmig sein muss und dass diese in einem „U“-förmigen Muster oder einem anderen Muster wie einem sinusförmigen angeordnet sein könnte und dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines „V“-förmigen Rippenmusters eingeschränkt ist.
Der Fachmann wird zu schätzen wissen, dass, wenngleich die Erfindung beispielhaft in Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben wurde, sie nicht auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt ist, und dass eine oder mehrere alternative Ausführungsformen konstruiert werden könnten, ohne den Schutzbereich der Erfindung wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert zu verlassen.

Claims

Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit einem Rippen- und Rohrblock, der angeordnet ist, um einen Luftstrom aus einem Lufteinlassende des Rippen- und Rohrblocks zu einem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks aufzunehmen, wobei der Luftströmungsbereich an dem Lufteinlassende des Rippen- und Rohrblocks größer als der Luftströmungsbereich an dem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Rippen- und Rohrblock eine erste Breite an dem Lufteinlassende und eine zweite Breite an dem Luftauslassende aufweist und die erste Breite größer als die zweite Breite ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Rippen- und Rohrblock ein trapezförmiger Rippen- und Rohrblock ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rippen- und Rohrblock eine Anzahl von Wärmeübertragungseinheiten, durch welche während des Gebrauchs eine Wärmeübertragungsflüssigkeit in einer Querrichtung des Rohr- und Rippenblocks strömt, und Rippeneinheiten umfasst, die zwischen benachbarten Wärmeübertragungseinheiten eingefügt sind, die Luftströmungskanäle definieren, durch welche Luft während des Gebrauchs in einer Längsrichtung des Rippen- und Rohrblocks aus dem Lufteinlassende zu dem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die Wärmeübertragungseinheiten parallel zueinander angeordnet sind, um Spalte dazwischen zu definieren, in welchen sich die Rippeneinheiten befinden.
Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei jede Fluidübertragungseinheit eine flache Platte umfasst, die eine Anzahl von Kanälen aufweist, die darin in einer nebeneinander liegenden Beziehung einstückig ausgebildet sind, wobei jede Fluidübertragungseinheit derart ausgerichtet ist, dass sich die Kanäle in der Querrichtung des Rippen- und Rohrblocks erstrecken.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wenn Anspruch 4 von Anspruch 3 abhängig ist, wobei jede der flachen Platten trapezförmig ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei jede Rippeneinheit eine Anzahl von Rippen aufweist, die die Luftströmungskanäle definieren, und die Rippen in der Richtung der Luftströmung durch den Rippen- und Rohrblock derart zusammenlaufen, dass die Teilung der Rippen an dem Lufteinlassende des Rippen- und Rohrblocks größer als die Teilung der Rippen an dem Luftauslassende des Rippen- und Rohrblocks ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei jede Rippeneinheit eine gewellte Rippeneinheit ist, die eine gewellte Lamellenplatte umfasst, die eine Anzahl von Rippen bildet.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Wärmetauscher ein Ladeluftkühler für einen Motor ist und die Luft, die durch den Rippen- und Rohrblick strömt, Ladeluft für den Motor ist.
Motorsystem, umfassend einen Verbrennungsmotor, eine Ladeluftzufuhr für den Motor und einen Zwischenkühler zum Kühlen der Luft, die zu dem Motor strömt, wobei der Zwischenkühler ein versiegeltes Gehäuse umfasst, das durch einen Auslass mit einem Lufteinlass des Motors verbunden ist, und ein Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in dem Gehäuse befestigt ist, wobei das Gehäuse angeordnet ist, um eine Ladeluftzufuhr aufzunehmen und Ladeluft durch den Auslass des Gehäuses an den Motor zu leiten.
System nach Anspruch 10, wobei das System ferner einen Luftdruckverstärker umfasst, um den Druck der Ladeluft zu erhöhen, und der Zwischenkühler zum Kühlen der Ladeluft, die von dem Verstärker zu dem Motor strömt, angeordnet ist.
System nach Anspruch 12, wobei der Verstärker ein Turbolader ist.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das System ferner ein Kühlsystem für den Motor umfasst und flüssiges Kühlmittel von dem Kühlsystem des Motors an den Wärmetauscher geleitet wird.
Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher, im Wesentlichen wie hierin in Bezug auf 1 bis 4 und 6a bis 6e der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
Motorsystem, im Wesentlichen wie hierin in Bezug auf 1 bis 4 und 6a bis 6e der beiliegenden Zeichnung beschrieben.