DE102017107134A1 - Wärmetauscher für Hochtemperatur-Anwendung, insbesondere Ladeluftkühler - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Hochtemperatur-Anwendung, insbesondere für Ladeluftkühler von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen mit einer Mehrzahl von ein Kühlnetz bildenden, in einem Kühlkasten (1) angeordneten Kühlkanälen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) für ein zu kühlendes Medium und einer Mehrzahl von Kanälen (6.1, 6.2, 6.3) für ein Kühlmedium, wobei das zu kühlende Medium den Kühlkanälen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) des Kühlnetzes über einen mit dem Kühlkasten (1) verbundenen Einlasssammelkasten (2) zuführbar und über einen dem Einlasssammelkasten (2) strömungstechnisch im Wesentlichen gegenüberliegenden, am Kühlkasten (1) angeordneten Auslasssammelkasten (3) abführbar ist, wobei im Einlasssammelkasten (2) und/oder im Auslasssammelkasten (3) weitere Kühlnetze bildende Kühlkanäle (7.1, 7.2; 9.1, 9.2) für das zu kühlende Medium und diesen zugeordnet Kanäle (8, 10) für das Kühlmedium angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Hochtemperatur-Anwendung, insbesondere zur Anwendung als Ladeluftkühler in Kraftfahrzeugen. Ein solcher Wärmetauscher ist mit einer Mehrzahl von ein Kühlnetz bildenden, in einem Kühlkasten angeordneten Kühlkanälen für ein zu kühlendes Medium und einer Mehrzahl von Kanälen für ein Kühlmedium aufgebaut, wobei das zu kühlende Medium im Kühlnetz über einen mit dem Kühlkasten verbundenen Einlasssammelkasten zuführbar und über einen dem Einlasssammelkasten im Wesentlichen strömungstechnisch gegenüberliegend am Kühlkasten angeordneten Auslasssammelkasten abführbar ist.
  • Wärmetauscher mit einem solchen Aufbau, insbesondere Wärmetauscher als Ladeluftkühler für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen sind hohen Temperatur- bzw. Druckbelastungen ausgesetzt. Besonders die Temperaturbelastung ist infolge der unterschiedlichen Beaufschlagung solcher Wärmetauscher als Problem für die Langzeit-Haltbarkeit anzusehen. Üblicherweise werden derartige Wärmetauscher aus gut wärmeleitfähigen Materialien hergestellt. Aus Kosten- und insbesondere aus Gewichtsgründen werden aber auch Teile davon, z.B. die Einlasssammel- bzw. Auslasssammelkästen aus Kunststoff hergestellt. Wegen der Temperatur- bzw. der Druckbelastung sind die Verbindungsstellen der einzelnen Bauteile solcher Wärmetauscher besonders kritisch. Die Verbindung erfolgt üblicherweise durch Schweißen, Löten oder auch Kleben.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konstruktionen bekannt, die sich mit der besonderen Problematik dieser Bauteile im Hinblick auf einerseits Dauerhaltbarkeit und andererseits Effektivität auseinandersetzen.
  • In der DE 20 2004 011 489 U1 ist ein Wärmetauscher für Hochtemperatur-Anwendungen, insbesondere zur Anwendung als Ladeluftkühler für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gezeigt und beschrieben, bei dem eine Mehrzahl von Kanälen für ein Kühlmedium mit einer Mehrzahl von Kanälen für ein zu kühlendes Medium in Blockprofilen zusammengefasst angeordnet ist. Der mechanisch feste und luftdichte Verbund der einzelnen Bauteile dieser Blockprofile soll durch Löten oder Kleben erreicht werden.
  • Ähnliche Verbundaufbauten mit mechanischen Verbindungen bzw. Verbindungen über Schweißen, Löten oder Kleben sind in der EP 1 279 805 B1 , EP 1 788 333 A1 , der EP 1 748 271 B1 sowie der WO 2014/064079 A1 gezeigt und beschrieben.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen besonders einfachen und in der Kühlleistung hochwirkungsvollen Aufbau eines Wärmetauschers anzubieten, unabhängig von der Komplexität in der Anordnung der Kanäle für einerseits das Kühlmedium und andererseits das zu kühlende Medium.
  • Hinsichtlich der Effektivität eines solches Wärmetauschers löst die Erfindung das Problem weitgehend dadurch, dass zusätzlich zu einem Kühlnetz im eigentlichen Kühlkasten des Wärmetauschers im Einlasssammelkasten weitere Kühlnetze bildende Kühlkanäle für das zu kühlende Medium und diesen zugeordnet Kanäle für das Kühlmedium angeordnet sind. Zusätzlich können auch im Auslasssammelkasten Kühlkanälen zur Bildung eines - oder auch mehrerer - Kühlnetze(s) für das zu kühlende Medium und diesen zugeordnet Kanäle für das Kühlmedium angeordnet sein. In Abhängigkeit von den vorgegebenen Einbaumöglichkeiten in einem Kraftfahrzeug kann damit die zur Kühlung dienende Berührungsfläche zwischen Kühlmedium und zu kühlendem Medium deutlich vergrößert werden.
  • Die im Einlass- bzw. Auslasssammelkasten angeordneten zusätzlichen Kühlnetze können mit dem Kühlnetz im eigentlichen Kühlkasten des Wärmetauschers unmittelbar in Strömungsverbindung stehen. Es ist aber auch denkbar, dass die Zuströmung des zu kühlenden Mediums in Teilströmen auf die Kühlnetze im Einlasssammelkasten, Auslasssammelkasten und im eigentlichen Kühlkasten erfolgt. Ebenso ist bei entsprechender Größe des Kühlkastens denkbar, dass strömungstechnisch parallel angeordnete Kühlnetze mit unterschiedlichen Strömen von zu kühlendem Medium beaufschlagt werden.
  • In an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise ist es zweckmäßig, die wirksame Oberfläche der Kühlkanäle bei den Kühlnetzen mit Wellrippen zu versehen.
  • In Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen an einen solchen Wärmetauscher bzw. in Abhängigkeit von den Einbaumöglichkeiten im Kraftfahrzeug können die Kühlkanäle für das zu kühlende Medium im Wesentlichen sich kreuzend mit den das Kühlmedium führenden Kanälen angeordnet sein. Ebenso ist es alternativ denkbar, dass die Kühlkanäle für das zu kühlende Medium im Wesentlichen parallel verlaufend mit den das Kühlmedium in Gegenströmung zum zu kühlenden Medium führenden Kanälen angeordnet sind.
  • Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren von derartigen Wärmetauschern, z.B. in Leichtmetallgusskonstruktion, Löt- und/oder Schweißkonstruktion und ggfs. mit zusätzlich angebrachten mechanischen Verbindungen wäre ein so komplexes Gebilde, wie vorstehend beschrieben, nur im Großserienfertigung wirtschaftlich herstellbar. Zusätzlich problematisch ist, dass die erreichbare Verbesserung der Wirksamkeit durch die zusätzliche Anordnung von Kühlnetzen in Einlasssammelkasten bzw. Auslasssammelkasten auch zu einer unerwünschten Gewichtserhöhung führen kann.
  • Kosten- und insbesondere auch die Gewichtsfrage, verbunden mit einer besonders einfachen Herstellung, können dadurch gelöst werden, dass ein Wärmetauscher nach der Erfindung mit Kühlkasten, Einlass- und Auslasssammelkasten, mit Kühlnetzen bildenden Kühlkanälen und Kanälen für das Kühlmedium in einem 3-D-Druckverfahren einteilig mit schichtweisem Aufbau erfolgt. Als Werkstoff bietet sich vorzugsweise ein hochwärmeleitfähiges Metall oder eine entsprechende Metalllegierung an, vorzugsweise Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, die für das 3-D-Druckverfahren in Pulver- oder flüssiger Form zur Anwendung kommt.
  • Für den Fachmann versteht es sich von selbst, dass die Anordnung der Kanäle, Kühlkanäle bzw. Kühlnetze im Kühlkasten bzw. in Einlasssammelkasten und/oder in Auslasssammelkasten insbesondere beim Verfahren in 3-D-Druck so gewählt bzw. zu berechnen sind, dass in Bezug auf die möglichen Volumina von Kühlkasten bzw. Sammelkästen die bestmögliche Wirkung erzielbar ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfinderischen Lösung für einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher für Hochtemperatur-Anwendung z.B. bei Ladeluftkühlern für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer schematischen Darstellung dazu in einer Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in der Figur der Zeichnung gezeigt, und die anhand der Zeichnung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
  • In der Figur der Zeichnung ist schematisch ein Wärmetauscher dargestellt, der aus einem Kühlkasten 1, einem Einlasssammelkasten 2 und einem Auslasssammelkasten 3 aufgebaut ist. Den Wärmetauscher bzw. seinen Bauteilen 1, 2 und 3 werden Ströme des zu kühlenden Mediums in Pfeilrichtung (siehe Zeichnung) zu- bzw. gekühlt wieder abgeführt.
  • Im Kühlkasten 1 sind eine Mehrzahl von ein Kühlnetz bildende Kühlkanälen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 angeordnet. Diese Kühlkanäle 4 können je nach Anforderung jedenfalls eng bestückt mit Wellrippen 5 zur Oberflächenvergrößerung bzw. zur Erhöhung der Kühlwirkung versehen sein.
  • Die in Längserstreckungsrichtung des Kühlkastens 1 verlaufenden Kühlkanäle 4.1 - 4.4 werden von dem zu kühlenden Medium durchströmt. Bei einem im Wesentlichen zylindrisch geformten Kühlkasten sind die Kühlkanäle 4.1 - 4.4 sowie deren Wellrippen 5 ebenfalls im Wesentlichen konzentrisch und weitgehend den Innenraum füllend angeordnet.
  • Den Kühlkanälen 4.1 - 4.4 zugeordnet sind Kanäle 6.1, 6.2 und 6.3, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Figur ebenfalls in Längsrichtung des Kühlkastens 1 sich erstrecken und jeweils den Kühlkanälen 4.1 - 4.4 zugeordnet angeordnet sind. Diese Kanäle 6.1, 6.2 und 6.3 werden von einem Kühlmedium (vorzugsweise einer Flüssigkeit oder auch Luft) im gezeigten Ausführungsbeispiel, vorzugsweise in Gegenstromrichtung zum zu kühlenden Medium (siehe Pfeilrichtung) durchströmt. Alternativ ist jedoch denkbar, dass die Kanäle 6.1 - 6.3 den Kühlkanälen 4.1 - 4.4 so zugeordnet sind, dass sich keine im Wesentlichen parallele Strömung, sondern vielmehr eine sich im Wesentlichen kreuzende Strömung von Kühlmedium und zu kühlendem Medium ergibt. Dazu können die Kanäle 6 zum Beispiel konzentrisch zur Außenwandung des Kühlkastens 1 oder auch spiralförmig verlaufend dazu angeordnet sein.
  • Nach der Erfindung kann im Einlasssammelkasten 2 zusätzlich ein aus weiteren Kühlkanälen 7.1 und 7.2 gebildetes Kühlnetz zur Durchströmung mit zu kühlendem Medium angeordnet sein. Die Kühlung erfolgt auch hier über mindestens einen den Kühlkanälen 7.1 bzw. 7.2 zugeordneten Kanal 8, der wie vorstehend beschrieben vom Kühlmedium durchflossen ist. Auch hier ist die Anordnung in Abhängigkeit von den Anforderungen im Hinblick auf Anordnung der Kanäle und der Strömungsrichtung der Medien wählbar.
  • Bei entsprechend hohem Kühlbedarf kann zusätzlich zu der Anordnung eines Kühlnetzes im Einlasssammelkasten 2 auch im Auslasssammelkasten 3 die Anordnung von Kühlkanälen 9.1 bzw. 9.2 sowie mindestens einem diesen zugeordneten Kanal 10 für das Kühlmedium angeordnet sein.
  • Denkbar ist, dass zur Erhöhung der Kühlwirkung die Kühlnetze im Einlasssammelkasten 2 und im Auslasssammelkasten 3 von aufgeteilten Strömen des zu kühlenden Mediums beaufschlagt werden. Die Strömungs-Aufteilung kann z.B. über Rohrleitungen vorgesehen sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Kühlnetze bildenden Kühlkanäle 4.1 - 4.4 im Kühlkasten 1 mit aufgeteilten Kühlmedium-Strömen beaufschlagt werden.
  • Die Anordnung von zusätzlichen Kühlnetzen im Einlass- bzw. Auslassbereich für das zu kühlende Medium macht die Konstruktion der Erfindung nicht nur relativ komplex, sondern fertigungs- und verbindungstechnisch einigermassen schwer beherrschbar. Deshalb wird es als besonders bevorzugte Ausführung zum Erfindungsgegenstand angesehen, die Herstellung des Wärmetauschers in einem 3-D-Druckverfahren durchzuführen. Dazu werden alle Bauteile des Wärmetauschers nach der Erfindung in schichtweisem Aufbau vorzugsweise einteilig gebildet. Zu diesem schichtweisen Aufbau kann vorzugsweise ein hochwärmeleitfähiger Werkstoff, z.B. Metall oder eine Metalllegierung, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung in Pulver- oder flüssiger Form verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kühlkasten
    2
    Einlasssammelkasten
    3
    Auslasssammelkasten
    4
    4.1, 4.2, 4.3, 4.4 Kühlkanäle
    5
    Wellrippen
    6
    6.1, 6.2, 6.3 Kanäle
    7
    7.1, 7.2 Kühlkanäle
    8
    Kanal
    9
    9.1, 9.2 Kühlkanäle
    10
    Kanal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202004011489 U1 [0004]
    • EP 1279805 B1 [0005]
    • EP 1788333 A1 [0005]
    • EP 1748271 B1 [0005]
    • WO 2014/064079 A1 [0005]

Claims (8)

  1. Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von ein Kühlnetz bildenden, in einem Kühlkasten (1) angeordneten Kühlkanälen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) für ein zu kühlendes Medium und einer Mehrzahl von Kanälen (6.1, 6.2, 6.3) für ein Kühlmedium, wobei das zu kühlende Medium den Kühlkanälen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) des Kühlnetzes über einen mit dem Kühlkasten (1) verbundenen Einlasssammelkasten (2) zuführbar und über einen dem Einlasssammelkasten (2) strömungstechnisch im Wesentlichen gegenüberliegenden, am Kühlkasten (1) angeordneten Auslasssammelkasten (3) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlasssammelkasten (2) und/oder im Auslasssammelkasten (3) weitere Kühlnetze bildende Kühlkanäle (7.1, 7.2; 9.1, 9.2) für das zu kühlende Medium und diesen zugeordnet Kanäle (8, 10) für das Kühlmedium angeordnet sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlnetz mit den Kühlkanälen (7.1, 7.2) im Einlasssammelkasten (2) und/oder ein weiteres im Auslasssammelkasten (3) angeordnetes Kühlnetz mit Kühlkanälen (9.1, 9.2) mit den Kühlkanälen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) im Kühlnetz im Kühlkasten (1) in Strömungsverbindung steht.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (4, 7, 9) der Kühlnetze mit Wellrippen (5) versehen sind.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) für das zu kühlende Medium im Wesentlichen sich kreuzend mit den das Kühlmedium führenden Kanälen (6.1, 6.2, 6.3; 8; 10) angeordnet sind.
  5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (4.1, 4.2, 4.3, 4.4; 7.1, 7.2; 9.1, 9.2) für das zu kühlende Medium im Wesentlichen parallel verlaufend zu den das Kühlmedium in Gegenströmung zum zu kühlenden Medium führenden Kanälen (6.1, 6.2, 6.3; 8; 10) angeordnet sind.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlnetze bildende Kühlkanäle (4.1, 4.2, 4.3, 4.4; 7.1, 7.2; 9.1, 9.2), Kühlkasten (1), Einlass (2)- und Auslasssammelkasten (3) und Kanäle (6.1, 6.2, 6.3; 8; 10) für das Kühlmedium in schichtweisem Aufbau durch 3-D-Druck erzeugbar sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der schichtweise Aufbau des Wärmetauschers einteilig erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff ein hochwärmeleitfähiges Metall oder eine Metalllegierung, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung in Pulver- oder flüssiger Form verwendbar ist.
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