DE102017219433B4

DE102017219433B4 - Wärmeübertrager für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102017219433B4
Application number: DE102017219433.2A
Authority: DE
Inventors: Petr Fabian; Jan Povýšil; Sopuch Martin
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: CN109724432B; JP6709268B2; US20190162489A1; FR3073042A1; JP2019082317A; DE102017219433A1; KR102093892B1; KR20190049472A; CN109724432A; FR3073042B1

Abstract

Wärmeübertrager (10) für einen Verbrennungsmotor, der zum Kühlen von Luft mittels eines Kühlfluids ausgebildet ist, mit:- einem Gehäuse, das in seinem Inneren Leitungen (25) zum Durchleiten der zu kühlenden Luft aufweist, die sich durch das Gehäuse erstrecken,- einem Einlass (12) und einem Auslass (14) für das Kühlfluid, die in dem Gehäuse ausgebildet sind, wobei das Gehäuse mehrere Plattenelemente (16, 18, 24, 30) aufweist, welche das Gehäuse bilden, wobei der Einlass und der Auslass in verschiedenen Plattenelementen (16, 18, 24, 30) ausgebildet sind, und wobei der Einlass und/oder der Auslass in einer Ausbuchtung (21) der Plattenelemente vorgesehen sind, wobei die Ausbuchtung(en) eine Erstreckung entlang des Gehäuses hat/haben, die eine Komponente hat, deren Erstreckung senkrecht zu einer Geraden ist, die den Einlass und den Auslass verbindet, wobei die Leitungen in Bodenplatten (24) des Wärmeübertragers münden und wobei der Einlass und/oder der Auslass für das Kühlfluid in einem Plattenelement ausgebildet ist, das einstückig mit der zugehörigen Bodenplatte (24) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für einen Verbrennungsmotor.
Stand der Technik
Es ist im Bereich der Automobiltechnik bekannt, Ladeluftkühler zur Kühlung eines dem Verbrennungsmotor zugeführten Gases zu verwenden, um die diesem Motor zugeführte Luft zu kühlen. Für dieses Kühlen wird ein Wärmeübertrager verwendet, bei dem die Luft mittels eines Kühlfluids gekühlt werden kann. Entsprechende Wärmeübertrager werden z. B. in der DE 10 2009 053 884 A1 , US 2012/ 0 292 002 A1 , US 2008/ 0 289 833 A1 , US 2009/ 0 056 922 A1 , US 2010/ 0 089 548 A1 , US 2006/ 0 048 759 A1 , WO 2016/ 008 854 A1 , FR 2 968 753 B1 , US 2013/ 0 192 803 A1 , US 2013/ 0 146 267 A1 , JP 5 856 068 B2 , DE 10 2005 012 761 A1 , WO 2016/ 005 275 A1 , US 2008/ 0 087 409 A1 , US 2017/ 0 176 108 A1 und JP 5 856 067 B2 beschrieben.
In der bereits erwähnten DE 10 2009 053 884 A1 weist ein solcher Wärmeübertrager Anschlüsse zum Zuführen eines Kühlfluids auf. Diese Anschlüsse münden in ein Gehäuse, an dessen Außenseite Ausbuchtungen vorgesehen sind. Das Gehäuse besteht im Wesentlichen aus zwei Blechformteilen, die zusammengefügt sind, wobei die beiden Anschlüsse und die zugehörigen Ausbuchtungen in dem gleichen Blechformteil ausgebildet sind.
Technische Aufgabe
Den Erfindern der vorliegenden Anmeldung ist aufgefallen, dass es bei einer solchen Ausgestaltung des Wärmeübertragers nur schwer möglich ist, den Wärmeübertrager an verschiedene Bedingungen anzupassen. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass im Stand der Technik, wie er z. B. in der US 2009/ 0 056 922 A1 beschrieben wird, aufgrund der Notwendigkeit, eine separate Komponente zum Ausbreiten des Kühlfluids vorzusehen, die Leistungsfähigkeit und die Dauerhaftigkeit des Wärmeübertragers reduziert wird, während es auch gleichzeitig wünschenswert wäre, den Materialverbrauch zu verringern.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die oben genannten Nachteile zumindest partiell zu lindern.
Die Erfindung wird durch den Wärmeübertrager nach Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß weist ein Wärmeübertrager für einen Verbrennungsmotor, der zum Kühlen von Luft mittels eines Kühlfluids ausgebildet ist, ein Gehäuse auf. Dieses Gehäuse weist in seinem Inneren Leitungen zum Durchleiten der zu kühlenden Luft auf, die sich durch das Gehäuse erstrecken. Bei dem genannten Kühlfluid kann es sich typischerweise um eine Kühlflüssigkeit wie z. B. Wasser handeln. Es können jedoch auch andere Fluide verwendet werden. Die Leitungen, die zum Durchleiten der zu kühlenden Luft dienen, sind von dem Bereich, durch den das Kühlfluid hindurchtreten kann, physisch getrennt, sodass sich das Kühlfluid und die zu kühlende Luft nicht vermischen. Das Gehäuse weist erfindungsgemäß einen Einlass und einen Auslass für das Kühlfluid auf, durch welche dieses in das Gehäuse eintreten und aus diesem austreten können.
Das Gehäuse weist mehrere Plattenelemente auf, die das Gehäuse bilden, wobei der Einlass und der Auslass für das Kühlfluid in verschiedenen Plattenelementen ausgebildet sind. Bei diesen Plattenelementen handelt es sich um diejenigen Komponenten des Wärmeübertragers, die das Gehäuse bilden. Typischerweise bestehen diese Plattenelemente aus metallischen Platten, die miteinander hart- bzw. weichgelötet sein können.
Der Einlass und/oder der Auslass sind erfindungsgemäß in einer Ausbuchtung der Plattenelemente vorgesehen. Diese Ausbuchtung ist nach außen gerichtet. Die Ausbuchtung hat eine Erstreckung entlang des Gehäuses, die eine Komponente hat, die senkrecht zu einer Geraden ist, die den Einlass und den Auslass verbindet. Bei der Erstreckung der Ausbuchtung handelt es sich um eine Gerade, die sich entlang der Ausbuchtung erstreckt und die entlang der längsten Abmessung der Ausbuchtung ist. D.h. anders gesagt ist die Erstreckung der Ausbuchtung entlang der längsten Richtung der Ausbuchtung. Wenn die Ausbuchtung nicht aus einem einzigen linearen Element, sondern aus mehreren, im Wesentlichen linearen Elementen besteht, kann sie verschiedene Erstreckungsrichtungen in jedem der einzelnen Elemente haben. In einem solchen Fall reicht es aus, wenn sich eines der Elemente entlang der genannten Richtung erstreckt.
Die Ausbuchtung, in welcher der Einlass und/oder Auslass vorgesehen ist, dient dazu, dass sich das Kühlfluid verteilen kann. Dies vermeidet es, dass eine separate Vorrichtung zum Verteilen des Kühlfluids vorgesehen sein muss. Wie bereits oben erwähnt führt dies dazu, dass der Wärmeübertrager weniger kompliziert aufgebaut ist, was die diesbezüglich erwähnten Nachteile vermeidet. Insbesondere können Materialkosten gespart werden, da weniger Komponenten verbaut werden und daher weniger Material gebraucht wird. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass entsprechende Wärmeübertrager für lange und enge Räume, in die sie eingebaut werden sollen, von Vorteil sind und dass sie auch vergleichsweise leicht in Bezug auf ihre Wärmetauschleistung sind. Durch die gute und gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids aufgrund der Anordnung der Ausbuchtungen wird die Kühlleistung erhöht. Außerdem vermeidet eine gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids, dass dieses an bestimmten Stellen steht oder sich nur sehr langsam bewegt. Eine solche Stagnation würde zu dem Risiko führen, dass das Kühlfluid dort (falls es sich um eine Flüssigkeit handelt) zu sieden anfängt, was wieder zu Schäden und zu einem Leistungsabfall führen könnte.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird im Stand der Technik das Kühlfluid über einen separaten Kühlfluidverteiler verteilt, während hierauf vorliegend verzichtet werden kann.
Bevorzugt wird hierbei, dass diese Erstreckungsrichtung komplett senkrecht zu einer Richtung ist, in der sich die Leitungen zum Durchleiten der zu kühlenden Luft erstrecken. Dies führt zu einer effizienten Verteilung des Kühlfluids bezüglich der Leitungen, wodurch diese besser gekühlt werden können.
Dadurch, dass der Einlass und der Auslass in verschiedenen Plattenelementen ausgebildet sind, kann der Wärmeübertrager leicht an verschiedene Anforderungen angepasst werden, indem z. B. lediglich eines der Plattenelemente ausgetauscht werden muss.
Es ist erfindungsgemäß, dass die Leitungen in Bodenplatten des Wärmeübertragers münden und dass der Einlass und/oder der Auslass für das Kühlfluid in einem Plattenelement ausgebildet ist, das einstückig mit der zugehörigen Bodenplatte ist. Unter einer Bodenplatte wird hierbei eine Platte verstanden, durch welche die Luft in die Leitungen zum Durchleiten dieser zu kühlenden Luft eintreten kann, d.h. die Öffnungen hat, die mit entsprechenden Öffnungen in den Bodenplatten fluchtet und mit diesen verbunden sind. Dadurch, dass der Einlass und/oder der Auslass in einem Plattenelement ausgebildet sind, das eine zugehörige Bodenplatte aufweist, ist ein entsprechender Wärmeübertrager leicht herstellbar und wenig komplex. Dies führt zu verringerten Herstellungskosten.
Bevorzugt wird, dass die Bodenplatte und die Komponente des Plattenelements, in die der Einlass und/oder der Auslass münden, im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. Ein entsprechender Wärmeübertrager kann kostengünstig hergestellt werden.
Weiterhin wird bevorzugt, dass das Plattenelement der Bodenplatte ferner Umgebungskomponenten aufweist, die an die Bodenplatte angrenzen, wobei diese Umgebungskomponenten zusammen mit der Komponente, in die der Auslass oder der Einlass mündet, die Bodenplatte umgeben. Durch diese zusätzlichen Umgebungskomponenten hat das Plattenelement der Bodenplatte als Ganzes eine Schürzenform. Demgemäß kann sie die Konstruktion des Wärmeübertragers erleichtern, welches sich wiederrum in verringerten Kosten äußert.
Es wird bevorzugt, dass sich das Plattenelement, in dem der Einlass und/oder der Auslass vorgesehen ist, mit einem anderen Plattenelement des Gehäuses überlappt, sodass das andere Plattenelement den Hohlraum, der durch die Ausbuchtung gebildet wird, partiell begrenzt. Durch diese Überlappung kann der Ausfluss des Kühlfluids aus dem Hohlraum kontrolliert werden, da man die Größe der Überlappung wie gewünscht bei dem Herstellen des Wärmeübertragers wählen kann. Dies führt zu einer verbesserten Anpassbarkeit des Wärmeübertragers an sich verändernde Bedingungen.
Es wird bevorzugt, dass das Gehäuse im Wesentlichen die Form eines Parallelepipeds hat und dass der Einlass und der Auslass in der gleichen Seite des Parallelepipeds ausgebildet sind. Ein solcher Wärmeübertrager ist platzsparend und leicht montierbar, da der Einlass und der Auslass an der gleichen Seite ausgebildet sind.
Weiterhin wird bevorzugt, dass zumindest eine, bevorzugt beide Ausbuchtungen L-förmig ausgebildet sind. Durch ein entsprechendes Ausbilden der Ausbuchtungen kann man das Kühlfluid gut verteilen. Jedoch können auch andere Formen entsprechende Vorteile erzielen.
Figurenliste

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Wärmeübertragers der 1.
3 zeigt zum Vergleich einen Zulauf aus dem Stand der Technik.
4 zeigt ein Funktionsprinzip eines Zulaufs gemäß Ausführungsform 1.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. 2(a) zeigt eine Explosionsdarstellung des Wärmeübertragers der 1, während 2(b) den Wärmeübertrager aus verschiedenen Ansichten zeigt.
Ein Wärmeübertrager 10 weist ein Gehäuse 11 auf, durch das sich Leitungen 25 zum Durchleiten der zu kühlenden Luft erstrecken. Diese Leitungen enden in Bodenplatten 24, die eine Schnittstelle zur Umgebung des Wärmeübertragers bilden. Die Bodenplatten 24, die an der Ein- und Auslassseite der Leitungen vorgesehen sind, bilden zusammen mit Seitenplatten 16, unterer Platte 30 und oberer Platte 18 das Gehäuse 11, welches die Form eines Parallelepipeds hat. Im Kontext der vorliegenden Erfindung werden Seitenplatten 16, untere Platte 30, obere Platte 18 und Bodenplatten 24 als „Plattenelemente“ bezeichnet. In die Leitungen 25 sind Lamellen 25' aufgenommen, die aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind und die Wärmeleitung erhöhen. Diese erstrecken sich zwischen den Wänden der Leitungen 25.
Die Seitenplatten 16 haben eine einfache Rechteckform, während die untere Platte 30 die Form eines Rechtecks mit vorstehenden Seitenkanten hat, die sich mit den Seitenplatten 16 überlappen.
An diesen Überlappungen sind die untere Platte 30 und die Seitenplatten 16 verbunden. Die obere Platte 18 hat im Wesentlichen die Form eines H, wobei sie an ihren Längsseiten mit den Seitenplatten 16 verbunden ist. An den Öffnungen des H sind Elemente 20 der Bodenplatte 24 aufgesetzt und mit der oberen Platte 18 verbunden. Diese Elemente 20 weisen jeweils eine Ausbuchtung 21 auf, die sich senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Leitungen 25 zum Durchleiten der zu kühlenden Luft erstrecken.
In diesen Ausbuchtungen 21 sind jeweils ein Einlass 12 und ein Auslass 14 für das Kühlfluid (z. B. Wasser) vorgesehen. Das Kühlfluid, das durch den Einlass 12 eintritt, breitet sich in der Ausbuchtung 21 senkrecht zur Durchströmungsrichtung der durchgeleiteten, zu kühlenden Luft aus, während es gleichzeitig zwischen den Rohrleitungen in Richtung der unteren Platte 30 fließt. Das Kühlfluid tritt dann durch den Auslass 14, der in der Ausbuchtung 21 vorgesehen ist, wieder aus dem Wärmeübertrager 10 aus. Zur Verbindung mit der Kühlluftzufuhr ist ferner ein Adapter 26 bzw. 28 am Einlass bzw. Auslass für die zu kühlende Luft vorgesehen.
Wie in 4 ersichtlich ist, besteht eine Überlappung a zwischen der oberen Platte 18 und dem Hohlraum, der durch die Ausbuchtung 21 begrenzt ist. Durch diese Überlappung kann die Fläche, durch die das Kühlfluid austreten kann, gesteuert werden. Das Kühlfluid muss dann, wie in 4 in der gestrichelten Linie dargestellt ist, abfließen. Da die Überlappung a einfach variiert werden kann, ist ein entsprechender Wärmeübertrager leicht an verschiedene Anwendungen anpassbar. Dies unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Beispiel aus dem Stand der Technik, wo eine solche variable Anpassung nicht möglich ist. Hierbei tritt das Kühlfluid durch den Einlass 12' in den Ausbuchtung 21' ein ohne dass der Ausfluss des Kühlfluids bewusst geregelt werden kann.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 5a - 5c beschrieben. Der wesentliche Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht hierbei darin, dass die Bodenplatte 124 weitere Komponenten 120' aufweist, die zusammen mit der Komponente 120 die Bodenplatte 124 schürzenförmig umgeben. In diese Schürze können die verbleibenden Komponenten des Gehäuses 111 eingeführt werden, wobei diese Schürze diese Komponenten stabilisiert. Insofern kann ein solches parallelepipedförmiges Gehäuse 111 leichter hergestellt werden. An den die Bodenplatte 124 umgebenden Seiten, die an die Ausbuchtung 121 angrenzen, ist die Komponente 120' weniger hoch als an anderen Seiten ausgebildet. Da an diesen Stellen erfahrungsgemäß die einwirkenden Kräfte vergleichsweise gering sind, kann somit Material gespart werden, ohne die Stabilität des Wärmeübertragers 110 zu beeinträchtigen. Abgesehen von den genannten Unterschieden ist die sonstige Ausgestaltung des Gehäuses identisch. In 5a und 5b bezeichnen die Bezugszeichen 126 und 128 die entsprechenden Adapter.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird unter der Bezugnahme auf 6a - 6c beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine Abwandlung der in 5a und 5b gezeigten zweiten Ausführungsform. Während sich in der zweiten Ausführungsform die Zusatzkomponenten 120' mit einer variablen Höhe bezüglich der Bodenplatte 124 erstreckt haben, haben in der dritten Ausführungsform die entsprechenden Komponenten 220' eine konstante Höhe bezüglich der Bodenplatte 224. Eine solche Ausgestaltung des Plattenelements 220 führt zu einer erhöhten Stabilität des Wärmeübertragers 210, da keine Höhenvariationen auftreten. In dieser Ausführungsform sind auch der Einlass und der Auslass an gegenüberliegenden Flächen des Parallelepipeds vorgesehen, was den Strömungswiderstand verringert und somit zu einer erhöhten möglichen Durchströmungsgeschwindigkeit führen kann. Insofern kann so die Kühleffizienz verbessert werden.
Eine vierte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Hierbei ist eine einzige der Ausbuchtungen 321' L-förmig vorgesehen. Eine solche Ausgestaltung der Ausbuchtung führt zu einer besseren Verteilung des Kühlfluids und somit zu einem geringeren Strömungswiderstand. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn diese Ausbuchtung beim Einlass für das Kühlfluid vorgesehen ist.
In 8 wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Hierbei sind die Ausbuchtungen des Einlasses und des Auslasses jeweils L-förmig. Eine solche Ausgestaltung verringert den Strömungswiderstand noch weiter.

Claims

Wärmeübertrager (10) für einen Verbrennungsmotor, der zum Kühlen von Luft mittels eines Kühlfluids ausgebildet ist, mit: - einem Gehäuse, das in seinem Inneren Leitungen (25) zum Durchleiten der zu kühlenden Luft aufweist, die sich durch das Gehäuse erstrecken, - einem Einlass (12) und einem Auslass (14) für das Kühlfluid, die in dem Gehäuse ausgebildet sind, wobei das Gehäuse mehrere Plattenelemente (16, 18, 24, 30) aufweist, welche das Gehäuse bilden, wobei der Einlass und der Auslass in verschiedenen Plattenelementen (16, 18, 24, 30) ausgebildet sind, und wobei der Einlass und/oder der Auslass in einer Ausbuchtung (21) der Plattenelemente vorgesehen sind, wobei die Ausbuchtung(en) eine Erstreckung entlang des Gehäuses hat/haben, die eine Komponente hat, deren Erstreckung senkrecht zu einer Geraden ist, die den Einlass und den Auslass verbindet, wobei die Leitungen in Bodenplatten (24) des Wärmeübertragers münden und wobei der Einlass und/oder der Auslass für das Kühlfluid in einem Plattenelement ausgebildet ist, das einstückig mit der zugehörigen Bodenplatte (24) ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, wobei die Bodenplatte und die Komponente des Plattenelements, in welche der Einlass oder der Auslass münden, senkrecht zueinander sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, wobei das Plattenelement der Bodenplatte ferner Umgebungskomponenten (120') aufweist, die an die Bodenplatte (124) angrenzen, und wobei diese Umgebungskomponenten zusammen mit der Komponente (120), in welche der Einlass oder der Auslass mündet, die Bodenplatte (24) umgeben.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Plattenelement (20), in dem der Einlass und/oder der Auslass vorgesehen ist, mit einem anderen Plattenelement (18) des Gehäuses überlappt, so dass das andere Plattenelement (18) den Hohlraum, der durch die Ausbuchtung (21) gebildet wird, partiell begrenzt.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse die Form eines Parallelepipeds hat und wobei der Einlass und der Auslass in der gleichen Seite des Parallelepipeds ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Ausbuchtung (321') L-förmig ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, wobei beide Ausbuchtungen (321') L-förmig ausgebildet sind.