DE102015215410A1

DE102015215410A1 - Stapelscheiben-Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102015215410A1
Application number: DE102015215410.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Fetzer; Gabriel Gucanin; David Kenntner; Volker Velte; Florian Gall; Steffen Grözinger
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2017-02-16
Also published as: US20180231324A1; WO2017025411A1; EP3334992B1; KR102066717B1; US10260817B2; CN107923715B; KR20180030646A; JP2018529040A; JP6546338B2; CN107923715A; EP3334992A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1), insbesondere ein Ladeluftkühler. Erfindungswesentlich ist dabei, – dass ein erstes und ein zweites Stapelscheibenpaket (4, 5) mit jeweils mehreren aneinander gereihten und miteinander verbundenen, insbesondere verlöteten, Stapelscheiben (6) und einer Grundplatte (7), über welche eine Zu- und/oder eine Abführung eines Kühlmittels (8) erfolgt, vorgesehen sind, – dass die beiden Stapelscheibenpakete (4, 5) entweder indirekt über eine zwischen den beiden Grundplatten (7) liegende Verteilerplatte (9) oder direkt über die beiden aneinander liegenden Grundplatten (7) miteinander und mit einem Kühlmitteleinlass (10) und/oder einem Kühlmittelauslass (11) verbunden sind, – dass ein Halter (12) vorgesehen ist, der den Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1) ausschließlich an der Verteilerplatte (9) oder an den beiden Grundplatten (7) hält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Stapelscheiben-Wärmeübertrager.
Aus der DE 10 2005 044 291 A1 ist ein gattungsgemäßer Stapelscheiben-Wärmeübertrager, insbesondere einen Ladeluftkühler, mit mehreren, aufeinander gestapelten und miteinander verbundenen, insbesondere verlöteten, länglichen Scheiben bekannt, die einen Hohlraum zum Durchführen eines zu kühlenden Mediums, beispielsweise Ladeluft, in Längsrichtung der Scheiben und einen weiteren Hohlraum zum Durchführen eines Kühlmittels begrenzen. Die Scheiben weisen dabei jeweils einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss für das zu kühlende Medium auf. Um den Stapelscheiben-Wärmeübertrager kostengünstig herstellen und insbesondere langlebig in Bezug auf hohe Temperaturen ausbilden zu können, erstreckt sich mindestens ein Kühlmittelanschluss teilweise um einen Anschluss für das zu kühlende Medium herum.
Generell besteht bei gattungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragern stets das Problem, dass diese einseitig über ihre Grundplatte weit auskragend an beispielsweise einer Brennkraftmaschine angebunden sind, wodurch aufgrund der einseitigen Anbindung und der großen Kragweite große Schwingungen über die Grundplatte abgetragen werden müssen, wodurch die Grundplatten selbst vergleichsweise schwer und damit auch teuer ausgebildet werden müssen. Je größer dabei die gewünschte Leistung des Stapelscheiben-Wärmeübertragers ist, umso mehr Stapelscheiben muss dieser aufweisen und umso stärker muss die zugehörige Grundplatte ausgelegt werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit daher mit dem Problem, für einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere hinsichtlich auftretender Schwingungen eine verbesserte Anbindung ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegender Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Stapelscheiben-Wärmeübertrager nicht mehr wie bislang aus dem Stand der Technik bekannt, in der Art eines Kragarms ausschließlich an einem Längsende zu lagern und dadurch große Schwingungen aufnehmen zu müssen, sondern eine Lagerung über eine Verteilerplatte bzw. zwei Grundplatten zu realisieren, die zentral, insbesondere mittig des Stapelscheiben-Wärmeübertragers angeordnet ist/sind. Der erfindungsgemäße Stapelscheiben-Wärmeübertrager, welcher beispielsweise als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein kann, weist dabei ein erstes und ein zweites Stapelscheibenpaket mit jeweils mehreren, aneinander gereihten und miteinander verbundenen, insbesondere verlöteten, Stapelscheiben und eine Grundplatte auf, über welche eine Zu- und/oder eine Abführung eines Kühlmittels erfolgt. Die beiden Stapelscheibenpakete sind dabei wahlweise direkt über ihre Grundplatten oder indirekt über eine zwischen den beiden Grundplatten liegende Verteilerplatte miteinander und mit einem Kühlmitteleinlass und/oder einem Kühlmittelauslass verbunden. Darüber hinaus erfolgt die Halterung des Stapelscheiben-Wärmeübertragers über einen Halter, der mit der Verteilerplatte bzw. den beiden zentral angeordneten Grundplatten verbunden ist. Hierdurch kann eine mittige Lagerung des erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragers erreicht werden, wodurch die einzelnen Stapelscheibenpakete nicht mehr so weit auskragen und dadurch im Betrieb der Brennkraftmaschine auch nicht mehr so stark schwingen, wodurch prinzipiell auch die beiden Grundplatten selbst dünner ausgebildet werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager wird somit erstmals eine mittige Lagerung geschaffen, was erhebliche Vorteile hinsichtlich des Schwingungsverhaltens und auch hinsichtlich der Auslegung der Grundplatte bzw. der Grundplatten des Stapelscheiben-Wärmeübertragers ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind das erste Stapelscheibenpaket als Hochtemperaturkühler und das zweite Stapelscheibenpaket als Niedertemperaturkühler ausgebildet. Hierdurch kann beispielsweise ein Ladeluftstrom für eine Brennkraftmaschine effektiv gekühlt werden, indem dieser zunächst durch das als Hochtemperaturkühler ausgebildete erste Stapelscheibenpaket, anschließend durch dessen Grundplatte, die Verteilerplatte und die Grundplatte des zweiten Stapelscheibenpakets sowie dann durch das als Niedertemperaturkühler ausgebildete zweite Stapelscheibenpaket geleitet wird. Mit dem erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager ist somit auch eine vergleichsweise einfache Kopplung eines Hochtemperaturkühlers mit einem Niedertemperaturkühler möglich, wobei die Versorgung der beiden Kühler mit Kühlmittel über die dazwischen angeordnete Verteilerplatte erfolgt.
Zweckmäßig sind in der Verteilerplatte Verteilerkanäle sowohl ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass für das erste Stapelscheibenpaket als auch ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass für das zweite Stapelscheibenpaket vorgesehen. Ein Zu- und Abführung von Kühlmittel in die beiden Stapelscheibenpakete erfolgt damit ausschließlich über die im Wesentlichen mittig angeordnete Verteilerplatte, wobei selbstverständlich je nach gewünschter Leistung des ersten und des zweiten Stapelscheibenpakets, diese gleich groß sein können oder aber auch eine unterschiedliche Größe und damit Leistung besitzen können. Durch die Kopplung sowohl des Kühlmitteleinlasses als auch des Kühlmittelauslasses für beide Stapelscheibenpakete in der Verteilerplatte sind auch bislang separat angeordnete Kühlmittelleitungen entbehrlich, wodurch der Stapelscheiben-Wärmeübertrager insgesamt kostengünstiger ausgebildet werden kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind in der Verteilerplatte sowohl ein Kühlmitteleinlass oder ein Kühlmittelauslass für das erste Stapelscheibenpaket als auch ein Kühlmitteleinlass oder ein Kühlmittelauslass für das zweite Stapelscheibenpaket vorgesehen. Wiederum alternativ können in der Verteilerplatte auch ein Kühlmitteleinlass für das erste Stapelscheibenpaket und ein Kühlmittelauslass für das zweite Stapelscheibenpaket bzw. ein Kühlmittelauslass für das erste Stapelscheibenpaket und ein Kühlmitteleinlass für das zweite Stapelscheibenpaket vorgesehen werden. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung von unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten der Kühlmitteleinlässe und -auslässe der beiden Stapelscheibenpakete lässt erahnen, welch große Flexibilität bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragers gewährleistet werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist das erste und das zweite Stapelscheibenpaket jeweils eine Deckscheibe mit einem Durchgang für das zu kühlende Medium, insbesondere für zu kühlendes Abgas, auf. In diesem Fall wird somit der Stapelscheiben-Wärmeübertrager orthogonal den Stapelscheibenebenen vom zu kühlenden Medium durchflossen, wobei selbstverständlich im ersten Stapelscheibenpaket und/oder im zweiten Stapelscheibenpaket auch eine Umlenkung des zu kühlenden Mediums, beispielsweise des zu kühlenden Abgases parallel zu den jeweiligen Stapelscheiben möglich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist die Stapelscheiben, die Grundplatten und/oder die Verteilerplatte aus lötbarem Aluminium ausgebildet. Aluminium besitzt einen vergleichsweise hohen Wärmeleitkoeffizient und ist zudem vergleichsweise leicht, wodurch es für den Einsatz eines Ladeluftkühlers in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft ist.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Brennkraftmaschine einen zuvor beschriebenen Stapelscheiben-Wärmeübertrager als Ladeluftkühler einzusetzen, wodurch insbesondere eine schwingungsoptimierte Anbindung des Stapelscheiben-Wärmeübertragers ermöglicht wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 einen erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager in einer Schrägansicht,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer Frontansicht,
3 eine Seitenansicht auf den erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager,
4 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragers,
5 eine Detaildarstellung des Halters,
6 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertragers, jedoch mit lediglich angedeutetem Halter.
Entsprechend den 1–4 und 6 weist ein erfindungsgemäßer Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1, der insbesondere als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine 2 in einem Kraftfahrzeug 3 ausgebildet sein kann, ein erstes Stapelscheibenpaket 4 sowie ein zweites Stapelscheibenpaket 5 mit jeweils mehreren, aneinander gereihten und miteinander verbundenen, insbesondere miteinander verlöteten, Stapelscheiben 6 sowie jeweils einer Grundplatte 7 auf, über welche eine Zu- und/oder Abführung eines Kühlmittels 8 erfolgt. Erfindungsgemäß sind nun die beiden Stapelscheibenpakete 4, 5 über eine zwischen den beiden Grundplatten 7 liegende Verteilerplatte 9 (vergleiche die 6 und 7) miteinander und mit einem Kühlmitteleinlass 10 und/oder einem Kühlmittelauslass 11 verbunden. Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass die beiden Stapelscheibenpakete 4, 5 über ihre jeweilige Grundplatte 7 miteinander verbunden sind, wobei diese beiden Grundplatten 7 dann zusammen die Verteilerplatte 9 bilden und ebenfalls einen Kühlmitteleinlass 10 und/oder einen Kühlmittelauslass aufweisen. Darüber hinaus ist ein Halter 12 vorgesehen, der den Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 ausschließlich mittig, das heißt insbesondere an den beiden Grundplatten 7 bzw. an der Verteilerplatte 9 hält und dadurch das jeweils von der Grundplatte 7 auskragende Stapelscheibenpaket 4, 5 zentral fixiert. Hierdurch können im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Stapelscheiben-Wärmeübertrager, bei welchem das gesamte Stapelscheibenpaket lediglich einseitig in der Art eines Kragarmes an einer Grundplatte aufgehängt ist, deutlich geringere Schwingungsbelastungen aufgrund der kürzeren erfindungsgemäßen Stapelscheibenpakete 4, 5 erzielt werden, wodurch zum einen sowohl die Grundplatten 7 beispielsweise weniger steif und damit auch weniger schwer ausgebildet werden müssen und zudem externe Rohrleitungen, welche bei einer einseitigen Anbindung oftmals erforderlich waren, vermieden werden können. Betrachtet man beispielsweise die Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 gemäß der 6, so ist dort erkennbar, dass das erste Stapelscheibenpaket 4 als Hochtemperaturkühler (HT) und das zweite Stapelscheibenpaket 5 als Niedertemperaturkühler (LT) ausgebildet ist.
In der Verteilerplatte 9 bzw. den beiden, diese Verteilerplatte 9 bildenden Grundplatten 7 kann dabei beispielsweise sowohl ein Kühlmitteleinlass 10 und ein Kühlmittelauslass 11 für das erste Stapelscheibenpaket 4 als auch ein Kühlmitteleinlass 10 und ein Kühlmittelauslass 11 für das zweite Stapelscheibenpaket 5 vorgesehen sein (vergleiche die 6). Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass in der Verteilerplatte 9 bzw. in den beiden diese Verteilerplatte 9 bildenden Kühlplatten 7 sowohl ein Kühlmitteleinlass 10 oder ein Kühlmittelauslass 11 für das erste Stapelscheibenpaket 4 als auch ein Kühlmitteleinlass 10 oder ein Kühlmittelauslass 11 für das zweite Stapelscheibenpaket 5 vorgesehen sind. In der Verteilerplatte 9 bzw. den beiden Grundplatten 7 kann alternativ ebenso auch ein Kühlmitteleinlass 10 für das erste Stapelscheibenpaket 4 und ein Kühlmittelauslass 11 für das zweite Stapelscheibenpaket 5 oder umgekehrt vorgesehen sein. In der Verteilerplatte 9 bzw. in den beiden Grundplatten 7 sind dabei nicht näher bezeichnete Kanäle für ein zu kühlendes Medium 13, beispielsweise Abgas 14, und für Kühlmittel 8 angeordnet sein.
Betrachtet die Ausführungsformen gemäß den 1–4 und 6, so kann man des Weiteren erkennen, dass das erste und zweite Stapelscheibenpaket 4, 5 jeweils eine Deckscheibe 15 mit einem Durchgang 16 für das zu kühlende Medium 13, insbesondere für das zu kühlende Abgas 14 aufweist. Die Stapelscheiben 6 selbst bzw. die Grundplatten 7 und/oder die Verteilerplatte 9 können dabei aus einem leichten und zugleich gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise lötbarem Aluminium, ausgebildet sein.
Eine mit dem erfindungsgemäßen Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 ausgestattete Brennkraftmaschine 2 eines Kraftfahrzeuges 3 bietet den großen Vorteil, dass eine schwingungsoptimierte Lagerung möglich ist, da das ursprünglich einteilige Stapelscheibenpaket nunmehr in zwei Stapelscheibe 4, 5 aufgeteilt wurde und dadurch der jeweils auskragende Teil des Stapelscheibenpakets 4, 5 nur noch circa halb so groß ist wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten, einseitig angebundenen Stapelscheibenpaketen. Hierdurch können insbesondere auch die Grundplatten 7 bzw. die Verteilerplatte 9 leichter und damit kostengünstiger ausgelegt werden. Die beiden Stapelscheibenpakete 4, 5 können dabei im Wesentlichen gleich groß sein oder aber auch eine unterschiedliche Größe aufweisen, insbesondere sofern beispielsweise ein Hochtemperaturkühler eine höhere oder niedrigere Leistung als ein nachgeschalteter Niedertemperaturkühler aufweisen soll. Eine Verbindung zwischen den beiden Grundplatten 7 bzw. zwischen diesen und der Verteilerplatte 9 wird beispielsweise mittels Schrauben 17 (vergleiche 6) bewirkt.
Um eine möglichst steife Anbindung des Stapelscheiben-Wärmeübertragers 1 an die Brennkraftmaschine 2 erreichen zu können, kann der hierfür genutzte Halter 12 Versteifungsrippen 18 aufweisen (vergleiche die 1–5), wobei der Halter 12 mit dem Stapelscheiben-Wärmeübertrager 1 verschraubt sein kann. Rein theoretisch ist selbst eine Führung einer Kühlmittelleitung innerhalb des Halters 12 denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005044291 A1 [0002]

Claims

Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1), insbesondere ein Ladeluftkühler, dadurch gekennzeichnet, – dass ein erstes und ein zweites Stapelscheibenpaket (4, 5) mit jeweils mehreren aneinander gereihten und miteinander verbundenen, insbesondere verlöteten, Stapelscheiben (6) und einer Grundplatte (7), über welche eine Zu- und/oder eine Abführung eines Kühlmittels (8) erfolgt, vorgesehen sind, – dass die beiden Stapelscheibenpakete (4, 5) entweder indirekt über eine zwischen den beiden Grundplatten (7) liegende Verteilerplatte (9) oder direkt über die beiden aneinander liegenden Grundplatten (7) miteinander und mit einem Kühlmitteleinlass (10) und/oder einem Kühlmittelauslass (11) verbunden sind, – dass ein Halter (12) vorgesehen ist, der den Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1) ausschließlich an der Verteilerplatte (9) oder an den beiden Grundplatten (7) hält.
Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stapelscheibenpaket (4) als Hochtemperaturkühler (HT) und das zweite Stapelscheibenpaket (5) als Niedertemperaturkühler (NT) ausgebildet ist.
Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verteilerplatte (9) oder in den beiden Grundplatten (7) sowohl ein Kühlmitteleinlass (10) und ein Kühlmittelauslass (11) für das erste Stapelscheibenpaket (4) als auch ein Kühlmitteleinlass (10) und ein Kühlmittelauslass (11) für das zweite Stapelscheibenpaket (5) vorgesehen sind.
Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass in der Verteilerplatte (9) oder in den beiden Grundplatten (7) sowohl ein Kühlmitteleinlass (10) oder ein Kühlmittelauslass (11) für das erste Stapelscheibenpaket (4) als auch ein Kühlmitteleinlass (10) oder ein Kühlmittelauslass (11) für das zweite Stapelscheibenpaket (5) vorgesehen sind, oder – dass in der Verteilerplatte (9) oder in den beiden Grundplatten (7) ein Kühlmitteleinlass (10) für das erste Stapelscheibenpaket (4) und ein Kühlmittelauslass (11) für das zweite Stapelscheibenpaket (5) vorgesehen sind, oder – dass in der Verteilerplatte (9) oder in den beiden Grundplatten (7) ein Kühlmittelauslass (11) für das erste Stapelscheibenpaket (4) und ein Kühlmitteleinlass (10) für das zweite Stapelscheibenpaket (5) vorgesehen sind.
Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verteilerplatte (9) und in den beiden Grundplatten (7) Kanäle für ein zu kühlendes Medium (13), beispielsweise Abgas (14) und für das Kühlmittel (8) angeordnet sind.
Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Stapelscheibenpaket (4, 5) jeweils eine Deckscheibe (15) mit einem Durchgang (16) für das zu kühlende Medium (13), insbesondere für zu kühlendes Abgas (14), aufweist.
Stapelscheiben-Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelscheiben (6), die Grundplatten (7) und/oder die Verteilerplatte (9) aus lötbarem Aluminium gebildet sind/ist.
Brennkraftmaschine (2) mit einem daran über einen Halter (12) gehaltenen und als Ladeluftkühler ausgebildeten Stapelscheiben-Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.