DE102014212906A1 - Intercooler with a plate heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen in der Bauart eines Plattenwärmetauschers aufgebauten Ladeluftkühler (1) mit mehreren Wärmetauscherplatten (2). Jede Wärmetauscherplatte (2) ist als ein flüssigkeitsführender Hohlkörper ausgeführt, wobei übereinanderliegende Wärmetauscherplatten (2) derart beabstandet angeordnet sind, dass der Ladeluftkühler (1) von der zu kühlenden Ladeluft (3) durchströmbar ausgeführt ist. Um den gewünschten Wärmeaustausch und damit eine Reduzierung der Ladelufttemperatur zu erreichen, ist die Wärmetauscherplatte (2) von einem Kühlmittel (4) eines Kühlwasserkreislaufes einer Brennkraftmaschine durchströmbar. Zur Fluidführung hat jede Wärmetauscherplatte (2) einen Kühlmitteleinlass (5) und einen Kühlmittelauslass (6), durch den das Kühlmittel (4) nach dem Durchströmen der gesamten Wärmetauscherplatte (2) abgeführt wird. Dabei wird das zugeführte Kühlmittel (4) aus dem Kühlmitteleinlass (5) mittels eines entlang einer Längsseite des Turbulenzkörpers (7) verlaufenden, mit dem Kühlmitteleinlass (5) verbundenen ersten Sammelkanals (9) verteilt und tritt anschließend quer zur Längserstreckung des Sammelkanals (9) durch diesen hindurch, um auf der anderen Seite des Turbulenzkörpers (7) in einem weiteren Sammelkanal (11) aufgefangen zu werden. Hierdurch wird in thermodynamisch optimaler Weise eine Strömungsrichtung des Kühlmittels (4) innerhalb des Turbulenzkörpers (7) in Gegenstromrichtung zu der zugeführten Ladeluft (3) erreicht.The invention relates to a constructed in the design of a plate heat exchanger intercooler (1) with a plurality of heat exchanger plates (2). Each heat exchanger plate (2) is designed as a liquid-carrying hollow body, wherein superimposed heat exchanger plates (2) are arranged at such a distance that the charge air cooler (1) is designed to be flowed through by the charge air to be cooled (3). In order to achieve the desired heat exchange and thus a reduction of the charge air temperature, the heat exchanger plate (2) by a coolant (4) of a cooling water circuit of an internal combustion engine can be flowed through. For fluid guidance, each heat exchanger plate (2) has a coolant inlet (5) and a coolant outlet (6), through which the coolant (4) is discharged after flowing through the entire heat exchanger plate (2). In this case, the supplied coolant (4) from the coolant inlet (5) by means of a along one longitudinal side of the turbulence body (7) extending, with the coolant inlet (5) connected to the first collecting channel (9) distributed and then occurs transversely to the longitudinal extent of the collecting channel (9) through this to be collected on the other side of the turbulence body (7) in a further collecting channel (11). As a result, a flow direction of the coolant (4) within the turbulence body (7) in a counter-current direction to the supplied charge air (3) is achieved in a thermodynamically optimal manner.
Description
Die Erfindung betrifft einen als Plattenwärmetauscher ausgeführten Ladeluftkühler mit mehreren, jeweils einen flüssigkeitsführenden Hohlkörper aufweisenden Wärmetauscherplatten, die jeweils an einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass angeschlossen sind, wobei zumindest einzelne Wärmetauscherplatten von der zu kühlenden Ladeluft außenseitig anströmbar sind und innerhalb des von einem Kühlmittel, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, durchströmbaren Hohlkörpers ein beispielsweise als ein Turbulenzblech ausgeführter Turbulenzkörper angeordnet ist. The invention relates to a designed as a plate heat exchanger intercooler with several, each having a liquid-carrying hollow body having heat exchanger plates, which are each connected to a coolant inlet and a coolant outlet, wherein at least individual heat exchanger plates are flowed by the charge air to be cooled on the outside and within of a coolant, in particular a Coolant, through-flowable hollow body is arranged for example as a turbulence sheet running turbulence body.
Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen werden Turbolader oder Kompressorlader zur Verdichtung der Luft verwendet. Hierbei erfolgt jedoch eine unerwünschte Erwärmung der auch als Ladeluft bezeichneten Luft infolge der Kompression im Lader auf Temperaturen von über 150 °C. To increase the performance of internal combustion engines, turbochargers or superchargers are used to compress the air. In this case, however, there is an undesirable heating of the air also referred to as charge air as a result of compression in the supercharger to temperatures above 150 ° C.
Um eine derartige Erwärmung der Ladeluft zu vermindern, werden Luftkühler verwendet, die oftmals in einem Kühlmodul angeordnet sind und zur Kühlung der Ladeluft dienen. Die Ladeluft strömt dabei durch einen Wärmetauscher, der beispielsweise von der Umgebungsluft durchströmt und damit gekühlt wird. Dadurch ist eine Abkühlung der Ladeluft möglich, was eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine ermöglicht. In order to reduce such heating of the charge air, air coolers are used, which are often arranged in a cooling module and serve to cool the charge air. The charge air flows through a heat exchanger, which, for example, flows through the ambient air and is thus cooled. As a result, a cooling of the charge air is possible, which allows an increase in performance of the internal combustion engine.
Um eine verbesserte Kühlung zu ermöglichen, werden bei Kraftfahrzeugen kühlmittelgekühlte Ladeluftkühler verwendet, die im Ansaugbereich angeordnet sind. Der Ladeluftkühler besteht aus einer Mehrzahl von Blechen und Profilelementen, die zu Strömungskanälen für das Kühlmittel verbunden sind und mit ihren Enden in Sammelkästen ragen. Zwischen den Strömungskanälen für das Kühlmittel strömt die zu kühlende Ladeluft quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels in den Strömungskanälen. In order to allow for improved cooling, motor vehicles use coolant-cooled intercoolers, which are arranged in the intake area. The intercooler consists of a plurality of sheets and profile elements, which are connected to flow channels for the coolant and protrude with their ends in collecting tanks. Between the flow channels for the coolant, the charge air to be cooled flows transversely to the flow direction of the coolant in the flow channels.
Aus der
Aus der
Die
Des Weiteren betrifft die
Außerdem offenbart die
Als nachteilig erweist sich in der Praxis der erhebliche Strömungswiderstand, der mit dem Einsatz eines Turbulenzkörpers verbunden ist. Obwohl es bereits bekannt ist, durch unterschiedliche Anströmungen des Turbulenzkörpers bei einem Wärmetauscher ein geeignetes Verhältnis zwischen Strömungswiderstand und erzielbarer Kühlleistung zu erreichen, sind die so erzielbaren Ergebnisse bisher noch nicht optimal. A disadvantage is found in practice, the considerable flow resistance, which is associated with the use of a turbulence body. Although it is already known to achieve a suitable ratio between flow resistance and achievable cooling capacity by different inflows of the turbulence body in a heat exchanger, the achievable results so far are still not optimal.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen wesentlich verbesserten Ladeluftkühler zu schaffen, welcher insbesondere thermodynamisch optimiert ist und sich zudem vergleichsweise kostengünstig herstellen lässt. Against this background, the invention has the object to provide a much improved charge air cooler, which is in particular thermodynamically optimized and also can be produced relatively inexpensively.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Ladeluftkühler gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung. This object is achieved with a charge air cooler according to the features of
Erfindungsgemäß ist also ein Ladeluftkühler vorgesehen, bei dem zumindest eine, vorzugsweise alle Wärmetauscherplatten einen innerhalb des Hohlkörpers angeordneten, mit dem Kühlmitteleinlass verbundenen ersten Sammelkanal oder einen mit dem Kühlmittelauslass verbundenen zweiten Sammelkanal aufweisen, wobei sich zumindest ein Sammelkanal entlang einer Längsseite des Turbulenzkörpers derart erstreckt, dass das Kühlmittel verteilt entlang der Längsseite des Turbulenzkörpers in diesen eintritt und durch diesen im Wesentlichen quer zur Längsrichtung hindurchtritt. Hierdurch wird in verblüffend einfacher Weise eine wesentliche Steigerung des Wärmeüberganges erreicht, ohne dass hierbei zugleich der Strömungswiderstand bei der Durchströmung der Wärmetauscherplatten unerwünscht hoch ist. According to the invention, therefore, a charge air cooler is provided, in which at least one, preferably all heat exchanger plates inside arranged at the hollow body, connected to the coolant inlet first collecting channel or connected to the coolant outlet second collecting channel, wherein at least one collecting channel along a longitudinal side of the turbulence body extends such that the coolant distributed along the longitudinal side of the turbulence body enters and through this substantially passes transversely to the longitudinal direction. As a result, a significant increase in the heat transfer is achieved in a surprisingly simple manner, without this at the same time the flow resistance in the flow through the heat exchanger plates is undesirably high.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich große Turbulenzen und ein vergleichsweise geringer Strömungswiderstand dadurch vereinbaren lassen, dass der Plattenwärmetauscher quer zu seinem größten Querschnitt durchströmt wird. Hierdurch wird zwar nicht der Strömungswiderstand bezogen auf eine bestimmte Querschnittsfläche vermindert, jedoch durch die erfindungsgemäß vergrößerte Fläche in der Summe der Strömungswiderstand auf ein sinnvolles Maß beschränkt. Indem also die Wärmetauscherplatten in Richtung ihrer kürzeren Erstreckung durchströmt werden, die zudem parallel zu der Anströmrichtung der Ladeluft verläuft, wird nicht nur der Strömungsverlust innerhalb der Wärmetauscherplatten reduziert, sondern zugleich auch der thermodynamische Wirkungsgrad aufgrund der veränderten Durchströmungsrichtung des Kühlmittels wesentlich verbessert. Der Sammelkanal erfüllt dabei die Funktion der Verteilung des Kühlmittels über die gesamte Längsseite des Turbulenzkörpers. Es ist leicht verständlich, dass die verhältnismäßig große Fläche des Turbulenzkörpers an seiner Längsseite ungeachtet einer gegebenenfalls reduzierten Strömungsgeschwindigkeit im Ergebnis zu einem ausreichend hohen Volumenstrom führt. The invention is based on the finding that large turbulences and a comparatively low flow resistance can be reconciled by flowing through the plate heat exchanger transversely to its largest cross section. Although this does not reduce the flow resistance in relation to a specific cross-sectional area, it does, however, limit the flow resistance to a sensible degree due to the area enlarged according to the invention in the sum. Thus, by the heat exchanger plates are flowed through in the direction of their shorter extension, which also runs parallel to the inflow direction of the charge air, not only the flow loss is reduced within the heat exchanger plates, but also significantly improves the thermodynamic efficiency due to the changed flow direction of the coolant. The collecting channel fulfills the function of the distribution of the coolant over the entire longitudinal side of the turbulence body. It is easily understood that the relatively large area of the turbulence body on its longitudinal side results in a sufficiently high volume flow, regardless of an optionally reduced flow rate.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass zumindest in einem dem Kühlmitteleinlass zugeordneten Sammelkanal ein Verteilerelement angeordnet ist, durch das eine im Wesentlichen konstante Volumenstromverteilung entlang des Turbulenzkörpers einstellbar ist. Indem der Sammelkanal als Verteilerelement ausgeführt oder ein Verteilerelement in diesem angeordnet ist, wird erreicht, dass sich ein nahezu gleichverteiltes Strömungsprofil über die gesamte Querschnittsfläche entlang der Längsseite des Turbulenzkörpers ergibt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad nochmals verbessert und zudem der Gesamtströmungswiderstand durch die Vermeidung von Geschwindigkeitsdifferenzen reduziert. Selbstverständlich kann das Verteilerelement auch ein integraler Bestandteil des Sammelkanals oder der Wärmetauscherplatte sein. A particularly advantageous embodiment of the invention is achieved in that a distributor element is arranged at least in a collecting channel associated with the coolant inlet, by means of which a substantially constant volumetric flow distribution along the turbulence body can be set. By the collecting channel is designed as a distributor element or a distributor element is arranged in this, it is achieved that results in a nearly uniformly distributed flow profile over the entire cross-sectional area along the longitudinal side of the turbulence body. As a result, the efficiency is further improved and also reduces the total flow resistance by avoiding speed differences. Of course, the distributor element can also be an integral part of the collecting channel or the heat exchanger plate.
Bei einer einfachen Variante hat der Sammelkanal entlang seiner Haupterstreckung unterschiedliche Querschnittsflächen, um so aufgrund der damit erreichbaren konstanten Strömungsgeschwindigkeit eine gleichmäßige Beaufschlagung des Turbulenzkörpers mit dem Kühlmittel zu erreichen. Hierzu ist zumindest ein Sammelkanal von dem Turbulenzkörper durch ein mehrere Durchlassöffnungen aufweisendes Trennelement getrennt, wobei der flächenmäßige Anteil der Durchlassöffnungen in Längsrichtung des Sammelkanals unterschiedlich ist, insbesondere mit zunehmendem Abstand von dem Kühlmitteleinlass oder dem Kühlmittelauslass zunimmt. Auf diese Weise wird in einfacher Weise eine problemlose Einstellung des Kühlmitteleinlasses in den Turbulenzkörper erreicht. Hierzu können in der Ober- oder Unterseite der Wärmetauscherplatten Vorsprünge, beispielsweise Stege eingeprägt werden, die bestimmte Eintrittsbereiche oder Austrittsbereiche verblocken bzw. abdecken. Durch eine mit zunehmendem Abstand von dem Kühlmitteleinlass oder Kühlmittelauslass abnehmende Verblockung kann so in einfacher Weise eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels erreicht werden. In a simple variant of the collecting channel has along its main extension different cross-sectional areas, so as to achieve a uniform loading of the turbulence body with the coolant due to the thus achievable constant flow velocity. For this purpose, at least one collecting channel is separated from the turbulence body by a separating element having a plurality of passage openings, the areal proportion of the passage openings being different in the longitudinal direction of the collecting channel, in particular increasing with increasing distance from the coolant inlet or the coolant outlet. In this way, a trouble-free adjustment of the coolant inlet is achieved in the turbulence body in a simple manner. For this purpose, in the top or bottom of the heat exchanger plates projections, such as webs are embossed, which block or cover certain inlet areas or outlet areas. By a decreasing with increasing distance from the coolant inlet or coolant outlet blocking can be achieved in a simple manner, a uniform distribution of the coolant.
Die Verblockungen begrenzen jeweils die Durchlassöffnungen. Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weisen zumindest einzelne Durchlassöffnungen eine einstellbare Größe oder Verteilung auf, um so eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen zu ermöglichen. So kann beispielsweise der Ladeluftkühler zur Anpassung an unterschiedliche Brennkraftmaschinen modular aufgebaut sein, wobei auch unterschiedlich lange Längsseiten entstehen können, sodass eine Anpassung der Verblockungen sinnvoll ist. Weiterhin kann auch ein unterschiedlicher Einbauort des Ladeluftkühlers in dem Kraftfahrzeug, beispielsweise abweichend von einer horizontalen Orientierung und der damit einhergehenden Beeinträchtigung der Strömung des Kühlmittels, eine Anpassung der Durchlassöffnungen erforderlich machen. The blocks each limit the passage openings. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, at least individual passage openings on an adjustable size or distribution, so as to allow rapid adaptation to different conditions of use. Thus, for example, the intercooler be adapted to adapt to different internal combustion engines modular, with different lengths long sides can arise, so that an adaptation of the interlocks makes sense. Furthermore, a different installation location of the intercooler in the motor vehicle, for example, deviating from a horizontal orientation and the concomitant impairment of the flow of the coolant, make an adjustment of the passage openings required.
Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Längsseite eine Orientierung im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Ladeluft hat, sodass die Durchströmungsrichtung des Kühlwassers parallel zur Strömungsrichtung des Ladeluftkühlers verläuft. Hierdurch wird eine optimale Strömungsführung erreicht und zugleich die größtmögliche Anströmfläche für die zu kühlende Ladeluft realisiert. Another, also particularly promising embodiment of the invention is also achieved in that the longitudinal side has an orientation substantially transverse to the flow direction of the charge air, so that the flow direction of the cooling water is parallel to the flow direction of the charge air cooler. As a result, an optimal flow guidance is achieved and at the same time realized the largest possible inflow surface for the charge air to be cooled.
Dabei erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn der Sammelkanal des Kühlmitteleinlasses an einer der Anströmrichtung der Ladeluft abgewandten Seite und der Sammelkanal des Kühlmittelauslasses an einer der Anströmrichtung der Ladeluft zugewandten Seite angeordnet ist, um so das als thermodynamisch besonders wirkungsvoll bekannte Gegenstromprinzip, bei dem die beiden Kühlmittelströme der Ladeluft und des Kühlmittels in entgegengesetzte Richtungen strömen, zu realisieren. It proves to be particularly practical if the collecting channel of the coolant inlet on a side facing away from the direction of flow of the charge air side and the collecting channel of the coolant outlet at one of the flow direction of the Charge air facing side is arranged so as to realize the thermodynamic particularly effective known countercurrent principle, in which the two coolant flows of the charge air and the coolant flow in opposite directions.
Der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass könnten an derselben Seite des Ladeluftkühlers angeordnet sein. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn der Kühlmitteleinlass im Bereich einer ersten Stirnseite des Turbulenzkörpers und der Kühlmittelauslass im Bereich einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Turbulenzkörpers angeordnet ist, sodass der von dem Kühlmittel zurückgelegte Strömungsweg unabhängig von dem Eintrittsort in den Turbulenzkörper konstant ist. Insbesondere addiert sich der in den beiden Strömungskanälen eintrittsseitig und austrittsseitig zurückgelegte Strömungsweg stets zu einer vollen Länge eines Strömungskanals. The coolant inlet and the coolant outlet could be located on the same side of the charge air cooler. On the other hand, it is particularly practical if the coolant inlet is arranged in the area of a first end face of the turbulence body and the coolant outlet in the region of a second end face of the turbulence body opposite the first end face, so that the flow path traveled by the coolant is constant irrespective of the entry location into the turbulence body. In particular, the flow path which has traveled in the two flow channels on the inlet side and on the outlet side always adds to a full length of a flow channel.
Man könnte daran denken, den Kühlmitteleinlass oder den Kühlmittelauslass in Aussparungen des Turbulenzkörpers anzuordnen. Wenn gemäß einer weiteren besonders effizienten Ausführungsform der Erfindung der Turbulenzkörper entlang der gegenüberliegenden Sammelkanäle zwei Seitenflächen übereinstimmender Größe, insbesondere kongruente Flächen entlang der Längsseiten aufweist, verändert sich der Querschnitt des Turbulenzkörpers zwischen der Einlassseite und der Auslassseite weder hinsichtlich der Fläche noch der Geometrie, sodass der Strömungsverlauf des Kühlmittels weiter optimiert wird. One might think of arranging the coolant inlet or the coolant outlet in recesses of the turbulence body. If according to a further particularly efficient embodiment of the invention, the turbulence body along the opposite collecting channels two side surfaces of matching size, in particular congruent surfaces along the longitudinal sides, the cross section of the turbulence body between the inlet side and the outlet side changes neither in terms of the area nor the geometry, so that Flow of the coolant is further optimized.
Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausführungsform wird auch dadurch realisiert, dass die Sammelkanäle in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, sodass also der Abstand zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Turbulenzkörpers konstant ist. Um den Zufluss oder Abfluss in den Sammelkanälen zu optimieren, können diese gegenüber der Horizontalen bzw. relativ zueinander beispielsweise auch mit unterschiedlichen Orientierungen geneigt verlaufen. Another, also particularly promising embodiment is also realized in that the collecting channels are arranged in mutually parallel planes, so that therefore the distance between the inlet side and the outlet side of the turbulence body is constant. In order to optimize the inflow or outflow in the collecting ducts, they may be inclined with respect to the horizontal or relative to each other, for example, with different orientations.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders praxisnahen Abwandlung weist der Turbulenzkörper eine als Positionierhilfe oder als Zentrierhilfe ausgeführte Ausformung auf, um so die Montage insbesondere bei nicht symmetrischen Turbulenzkörpern zu vereinfachen und Montagefehler auszuschließen. Dadurch kann der Turbulenzkörper beispielsweise auch als ein Einleger ausgeführt werden, der in dem Hohlraum ohne ein zusätzliches Fixiermittel mit der Wärmetauscherplatte eingeschlossen ist. In another, likewise particularly practical modification, the turbulence body has a shaping designed as a positioning aid or as a centering aid so as to simplify assembly, in particular in the case of non-symmetrical turbulence bodies, and to preclude assembly errors. As a result, the turbulence body can also be designed, for example, as an insert which is enclosed in the cavity without an additional fixing means with the heat exchanger plate.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below.
Diese zeigt in This shows in
Ein erfindungsgemäßer Ladeluftkühler
Zur Fluidführung hat jede Wärmetauscherplatte
Erfindungswesentlich ist dabei, dass das zugeführte Kühlmittel
In
Ergänzend ist in
In
In den
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ladeluftkühler Intercooler
- 22
- Wärmetauscherplatte heat exchanger plate
- 33
- Ladeluft charge air
- 44
- Kühlmittel coolant
- 55
- Kühlmitteleinlass Coolant inlet
- 66
- Kühlmittelauslass coolant outlet
- 77
- Turbulenzkörper turbulence body
- 88th
- Längsseite long side
- 9 9
- Sammelkanal collecting duct
- 1010
- Strömungsrichtung flow direction
- 1111
- Sammelkanal collecting duct
- 1212
- Trennelement separating element
- 1313
- Ausformung formation
- 1414
- Turbulenzblech turbulence plate
- 1515
- Stirnseite front
- 1616
- Stirnseite front
- 1717
- Aussparung recess
- 1818
- Trennelement separating element
- 1919
- Verteilerelement distributor element
- 2020
- Trennelement separating element
- 2121
- Durchlassöffnung Port
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1899589 B1 [0006] EP 1899589 B1 [0006]
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