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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen Ladeluftkühler oder einen Abgaskühler. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Ladeluftkühler oder einen Abgaskühler mit einem solchen Diffusor.
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Diffusoren werden bei Wärmeübertragern üblicherweise zum Einleiten eines Kühlmediums oder eines zu kühlenden Mediums in den Wärmeübertrager bzw. zum Ausleiten aus diesem heraus verwendet. Normalerweise sind derartige Diffusoren entweder einteilig aus Stahlguss, Aluminiumdruckguss oder Kunststoffspritzguss oder mehrteilig aus einem oder mehreren Tiefziehteilen mit angefügtem Flansch hergestellt. Um dabei einen möglichst hohen Wärmeübertrag zwischen dem zu kühlenden Medium und dem Kühlmittel erreichen zu können, muss mit dem Diffusor eine möglichst homogene Einströmung in den Wärmeübertrager erreicht werden. Wird das zu kühlenden Medium in den Wärmeübertrager inhomogen eingeleitet, so kann es in dem Wärmeübertrager nicht nur zu einem lokalen Sieden und damit zu sogenannten Hotspots kommen, sondern es reduzieren sich auch die Leistung und der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers deutlich.
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Aus der
EP 2 696 062 A1 ist ein Wärmeübertrager mit einem Diffusor zum Einleiten eines Fluides in einen Wärmeübertrager bekannt.
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Auch aus der
DE 199 07 163 A1 ist ein solcher Diffusor für einen Wärmeübertrager bekannt.
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Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Diffusoren ist, dass diese eine nur begrenzt homogene Einströmung eines zu kühlenden Mediums bzw. eines Kühlmediums in einen Wärmeübertrager ermöglichen, wodurch es unter anderem zu einer Reduzierung der Leistung des Wärmeübertragers kommt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen Diffusor anzugeben, mittels welchem ein Wärmeübertrager möglichst homogen durchströmt werden kann.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Gehäuse eines Diffusors für einen Wärmeübertrager mit einer rechtwinklig zu einander angeordneten Ein- und Auslassöffnung (erste und zweite Öffnung) so hinsichtlich seiner Gehäusegeometrie auszubilden, dass eine vorzugsweise gleichmäßige Einströmung von Kühlmedium oder zu kühlendem Medium in den Wärmeübertrager erreicht werden kann. Das Gehäuse des Diffusors weist hierzu einen Flächenabschnitt auf, dessen Innenkontur in Richtung der Längserstreckung des Diffusors mehrere geometrische Abschnitte in folgender Anordnung aufweist: Einen ersten teilkreisförmigen Abschnitt, der um eine Winkel W1 mit Radius R1 zur Innenseite des Diffusors gekrümmt ist, einen sich an den ersten teilkreisförmigen Abschnitt anschließenden ersten geraden Abschnitt mit der Länge L1, einen sich daran anschließenden zweiten teilkreisförmigen Abschnitt, der um eine Winkel W2 mit Radius R2 zur Außenseite des Diffusors gekrümmt ist, sowie einen sich an den zweiten teilkreisförmigen Abschnitt anschließenden zweiten geraden Abschnitt mit der Länge L2. Durch einen derartig hinsichtlich seiner Innenkontur ausgestalteten Diffusor lässt sich eine vorzugsweise homogene Durchströmung des sich an den Diffusor anschließenden Wärmeübertrager erreichen, wodurch in diesem nicht nur lokale Überhitzungen (Hotspots) zuverlässig vermieden werden können, sondern auch insgesamt ein optimierter Wärmeübertrag erreicht werden kann.
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Der Winkel W1 liegt dabei in einem Bereich zwischen 20 und 60°, wogegen der Winkel W2 in einem Bereich zwischen 20 und 40° liegt. Hierdurch entsteht ein länglicher Diffusor, dessen zweite Öffnung, das heißt die dem Wärmeübertrager zugewandte Auslassöffnung, größer ist als die rechtwinklig dazu angeordnete erste Öffnung (Einlassöffnung). Durch die beschriebenen Winkelbereiche für die Winkel W1 und W2 kann eine über die erste Öffnung in den Diffusor eintretende Fluidströmung an der Innenkontur so umgelenkt werden, dass sie im günstigsten Fall vollkommen homogen aus der zweiten Öffnung des Diffusors wieder ausströmt. Durch den aus der zweiten Öffnung homogen austretenden Volumenstrom kann eine ebenfalls homogene Durchströmung des Wärmeübertragers erreicht werden, mit den zuvor genannten Vorteilen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die geometrischen Abschnitte des Diffusors folgende Werte auf: W1 = 40°, R1 = 25 mm, L1 = 25 mm, W2 = 30°, R2 = 25 mm und L2 = 22 mm. Die üblichen Bereiche für die Werte sind 1,0 mm ≤ L0 ≤ 5,0 mm, bevorzugt 3,0 mm; 10 mm ≤ L1 ≤ 60 mm, bevorzugt 25 mm; 10 mm ≤ L2 ≤ 60 mm, bevorzugt 22 mm; 1,0 mm ≤ L3 ≤ 5,0 mm, bevorzugt 3,0 mm; 10 mm ≤ R1 ≤ 60 mm, bevorzugt 25 mm, 10 mm ≤ R2 ≤ 60 mm, bevorzugt 25 mm; 10 mm ≤ R3 ≤ 60 mm, bevorzugt 25mm.
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Durch einen derartig ausgebildeten Diffusor lassen sich die in den vorherigen Absätzen beschriebenen positiven Effekte bezüglich des aus der zweiten Öffnung austretenden Volumenstroms nochmals optimieren, wodurch ein mit einem derartigen Diffusor ausgestatteter Wärmeübertrager, sofern dessen Abmessungen auf den Diffusor abgestimmt sind, einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Zweckmäßig ist der Diffusor als einstückiges, tiefgezogenes Bauteil, insbesondere Blechbauteil, hergestellt. Bisher wurden Diffusoren entweder einteilig aus Stahlguss, Aluminiumdruckguss oder Kunststoffspritzguss oder mehrteilig aus einem oder mehreren Tiefziehteilen mit angefügtem Flansch hergestellt. Eine derartige Herstellungsweise war teuer, da insbesondere bei einem Grauguss/Stahlguss eine mechanische Nachbearbeitung stets erforderlich war. Zudem sind solche Diffusoren üblicherweise schwer, da eine bestimmte Wandstärke beim Gießen nicht unterschritten werden kann. Diffusoren aus Edelstahlfeinguss sind noch teurer und ähnlich schwer wie Diffusoren aus Grauguss. Diffusoren aus Aluminiumdruckguss sind bezüglich Einsatztemperatur und Korrosionsbeständigkeit ebenso wie Diffusoren aus Kunststoffspritzguss nur beschränkt einsatzfähig. Diffusoren aus mehreren Tiefziehteilen mit angefügtem Flansch sind ebenfalls vergleichsweise teuer, da für jedes Tiefziehteil ein separates Werkzeug erforderlich ist und die Tiefziehteile anschließend miteinander sowie mit dem Flansch gefügt werden müssen. Hierbei sind besonders enge Toleranzanforderungen zu beachten, wodurch die Werkzeugkosten hoch sind. Durch die erfindungsgemäße Herstellung des Diffusors als einstückiges, tiefgezogenes Bauteil, insbesondere als Blechbauteil, lässt sich dieser nicht nur vergleichsweise kostengünstig, sondern auch leicht ausbilden, insbesondere sofern zusätzlich an der ersten Öffnung eine mitgeprägte Verbindungsfläche vorgesehen wird, die als Flansch ausgebildet ist. Wird somit der Diffusor zusammen mit dem erforderlichen Flansch als einstückiges Tiefziehbauteil hergestellt, sind die Toleranzanforderungen gegenüber den bisherigen Lösungen erheblich reduziert, wodurch auch die Werkzeugkosten und die Prozesskosten reduziert werden können. Darüber hinaus sind auch die Fließanforderungen durch die vereinfachte Fläche der Anbindung an das Tiefziehteil geringer, wodurch der Diffusor flacher und somit auch kürzer ausgeführt werden kann, was wiederum dazu beiträgt, Bauraum und Gewicht einzusparen. Mit dem erfindungsgemäßen Diffusor ist des darüber hinaus möglich, eine Umlenkung des zu kühlenden Fluids, beispielsweise Abgas, um bis zu 90° darzustellen, was in dieser Art und Weise bisher nur mit gegossenen Diffusoren oder einem Design aus mehreren Tiefziehteilen möglich war.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die 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.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 zwei unterschiedliche Ansichten auf einen erfindungsgemäßen Diffusor,
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2 eine Schnittdarstellung durch den Diffusor,
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3 einen Wärmeübertrager mit daran angeordnetem Diffusor in einer Ansicht,
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4 eine Schnittdarstellung durch den gemäß der 3 gezeigten Wärmeübertrager.
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Entsprechend den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Diffusor 1 für einen Wärmeübertrager 2 (vgl. die 3 und 4), der beispielsweise als Ladeluftkühler oder als Abgaskühler ausgebildet sein kann, ein Gehäuse 3 mit einer ersten Öffnung 4 und einer hierzu rechtwinklig angeordneten zweiten Öffnung 5 auf. Das Gehäuse 3 besitzt darüber hinaus einen Flächenabschnitt 6, dessen Innenkontur in Richtung der Längserstreckung 16 des Diffusors 1 mehrere geometrische Abschnitte aufweist, die wie folgt angeordnet sind (vgl. 2):
Ausgehend von der ersten Öffnung 4 befindet sich ein gerader Zwischenabschnitt 7 mit einer Länge L0 von ungefähr 1 bis 5 mm, bevorzugt 3,0 mm. Daran schließt sich ein erster, teilkreisförmiger Abschnitt 8 an, der um ein Winkel W1 mit Radius R1 zur Innenseite des Diffusors 1 gekrümmt ist. An den teilkreisförmigen Abschnitt 8 schließt sich ein erster gerader Abschnitt 9 mit einer Länge L1 an, an welchen sich ein zweiter teilkreisförmiger Abschnitt 10 anschließt, der um einen Winkel W2 mit Radius R2 zur Außenseite des Diffusors 1 hin gekrümmt ist. An den zweiten teilkreisförmigen Abschnitt 10 wiederum schließt sich ein zweiter gerader Abschnitt 11 mit einer Länge L2 an. Die Abschnitte 7 bis 11 bilden eine Teilfläche des Gehäuses 3 des Diffusors 1.
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Optional kann sich an den zweiten geraden Abschnitt 11 mit der Länge L2 noch ein dritter teilkreisförmiger Abschnitt 12 anschließen, der um einen Winkel W3 mit Radius R3 zur Außenseite des Diffusors 1 gekrümmt ist. Abschließend kann sich an den dritten teilkreisförmigen Abschnitt 12 noch ein gerader dritter Abschnitt 13 mit der Länge L3 anschließen, wobei diese Länge L3 ca. 3,0 mm betragen kann. Der Winkel W1 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 und 60°, wogegen der Winkel W2 in einem Bereich zwischen 20 und 40° liegt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusors 1 weisen die geometrischen Abschnitte folgende Werte auf: W1 = 40°, R1 = 25 mm, L1 = 25 mm, W3 = 30°, R2 = 25 mm und L2 = 20 mm. Mit einem derartig ausgebildeten Diffusor 1 kann ein aus der zweiten Öffnung 5 vorzugsweise vollständig homogen austretender Volumenstrom des Fluids, insbesondere des Abgases oder der Ladeluft, erreicht werden, mittels welchem ein sich an die zweite Öffnung 5 anschließende Wärmeübertrager 2 homogen durchströmt werden kann. Eine homogene Durchströmung des Wärmeübertragers 2 bewirkt nicht nur einen hohen Wirkungsgrad desselben, sondern vermeidet zudem auch eine lokale Überhitzung (Hotspots).
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Generell kann der erfindungsgemäße Diffusor 1 als einstückiges, tiefgezogenes Bauteil, insbesondere als Blechbauteil, hergestellt werden, und/oder eine geprägte Verbindungsfläche 14 aufweisen, die die erste Öffnung 4 zumindest teilweise umgibt und an der ein Flansch 15 angeordnet, insbesondere gefügt ist. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Verbindungsfläche 14 selbst als Flansch 15 ausgebildet ist.
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Betrachtet man den Wärmeübertrager 2 gemäß den 3 und 4, so kann man erkennen, dass auf der Ausströmseite des Wärmeübertragers 2 ein weiterer Diffusor 1' angeordnet ist, der ebenfalls als kostengünstiges und zudem leichtes einstückiges Tiefziehbauteil hergestellt sein kann. Dieser Diffusor 1' besitzt dabei parallel zueinander angeordnet eine erste Öffnung 4' und eine zweite Öffnung 5'.
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Betrachtet man nochmals die 4, so kann man anhand der erfindungsgemäß ausgebildeten Innenkontur des Flächenabschnitts 6 des Diffusors 1 erkennen, dass hierdurch eine homogene Durchströmung des Wärmeübertragers 2 erreicht werden kann. Dabei gilt prinzipiell, dass je größer der Winkel W1 ist, umso eher erfolgt nach dem Strömungseintritt in den Diffusor 1 eine Prallströmung, das heißt eine Ablenkung an dem Flächenabschnitt 6. Durch die entsprechende Auslegung des Winkels W2 können insbesondere strömungstote Bereiche vermieden werden.
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Mit dem erfindungsgemäß hergestellten und hinsichtlich seiner geometrischen Abschnitte ausgebildeten Diffusor 1 lässt sich nicht nur eine homogene Durchströmung des Wärmeübertragers 2 und damit ein besonders optimierter Wärmeübertrag erreicht werden, sondern zudem kann ein derartiger Diffusor 1, sofern er als tiefgezogenes Blechbauteil ausgebildet ist, kostengünstig und leicht hergestellt werden.
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Darüber hinaus können auch größere Toleranzen hingenommen werden, sofern zugleich eine Verbindungsfläche 14 mit eingeprägt, das heißt mit tiefgezogen, da sich hierüber eine deutlich vereinfachte Anbindung des Flansches 15 erreichen lässt. Eine Verbindung mit dem Flansch 15 kann beispielsweise durch ein Verlöten, Verschweißen oder Verkleben erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2696062 A1 [0003]
- DE 19907163 A1 [0004]
