DE102018102713A1

DE102018102713A1 - Kühlmittelmantel einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102018102713A1
Application number: DE102018102713.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Koch; Rüdiger Erz; Ralf Bey; Dirk KIRBY; Ralf Blum
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2018-05-09
Also published as: DE102019102707A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kühlmittelmantel (1) eine erste Wand (4) einer zu kühlenden Struktur und eine gegenüberliegende beabstandete zweite Wand (8), wobei beide Wände (4, 8) einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kanal (12) ausbilden, umfasst. Zusätzlich umfasst der Kühlmittelmantel (1) eine Wärmeübertragungsstruktur (16), die in dem Kanal (12) wärmeleitend mit beiden Wänden (4, 8) stofflich verbunden ist, um Wärme (Q) von der zu kühlenden Struktur abzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelmantel einer Verbrennungskraftmaschine.
Aus der WO 2005/078900 A1 ist eine Kühlmittelvorrichtung zur Kühlung eines Stators einer dynamoelektrischen Maschine bekannt. Diese Kühlmittelvorrichtung ist gebildet aus einer mit Kühlrippen versehenen inneren ringförmigen Schale und einer äußeren ringförmigen Schale, die zusammen einen Kühlmittelmantel ausbilden, in welchen die Kühlrippen hineinragen.
Der erfindungsgemäße Kühlmittelmantel einer Verbrennungskraftmaschine umfasst eine erste Wand einer zu kühlenden Struktur und eine gegenüberliegende beabstandete zweite Wand, wobei beide Wände einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kanal ausbilden. Zusätzlich umfasst der Kühlmittelmantel eine Wärmeübertragungsstruktur, die in dem Kanal wärmeleitend mit beiden Wänden stofflich verbunden ist, um Wärme von der zu kühlenden Struktur abzuführen.
Eine zu kühlende Struktur kann dabei z.B. der Zylinderblock oder der Zylinderkopf sein. Gemäß der Erfindung wird als Kühlmedium jedes Fluid angesehen, welches sich besonders zur Wärmeabfuhr eignet. Bevorzugt soll dabei aber Kühlwasser oder Öl zum Einsatz kommen. Gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich eine stoffliche Verbindung durch eine dauerhafte Fusion aneinandergrenzender Materialbereiche aus. Unter einer Wärmeübertragungsstruktur gemäß der Erfindung wird jede Struktur verstanden, die geeignet ist, die Oberfläche der zu kühlenden Struktur zu vergrößern, so dass eine Wärmeabgabe beschleunigt wird.
Mögliche Vorteile der Erfindung sind, dass durch die stoffliche Verbindung kein zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand vorhanden ist, welcher die Wärmeabfuhr verringert. Dadurch wird eine optimale Wärmeübertragung sichergestellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Wände und die Wärmeübertragungsstruktur mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass weniger Anforderungen für die Herstellbarkeit notwendig sind, so dass komplexere Strukturen möglich sind. Im Vergleich zu Gussteilen sind Strukturen möglich, die bei Gussteilen aufgrund der meist geforderten Mindestwandstärke und den Entformungsschrägen, damit man das Bauteil aus der Form herausnehmen kann, nicht möglich sind. Dadurch sind Strukturen möglich, die hinsichtlich der Wärmeübertragung optimiert sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Kanal einstückig hergestellt. Dadurch ergibt sich eine bessere mechanische sowie wärmeleitende Verbindung.
Die Wärmeübertragungsstruktur besteht vorteilhafterweise wenigstens teilweise aus einem metallischen Material. Dadurch kann eine hohe Wärmeabfuhr sichergestellt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeübertragungsstruktur im Wesentlichen quer zu einer Strömungsrichtung des Kühlmediums im Kanal angeordnet ist. Als im Wesentlichen quer im Sinne der Erfindung wird eine Richtung angesehen, bei welcher ein Normalenvektor einer Wand in einem Verbindungspunkt mit einem Wärmeübertragungsstrukturelement der Wärmeübertragungsstruktur einen Winkel von 0-45° einschließt. Diese Ausrichtung der Wärmeübertragungsstruktur hat den Vorteil, dass der Turbulenzgrad im Kühlmittelmantel erhöht wird, wodurch eine bessere Durchmischung des Kühlmediums und damit ein gleichmäßigeres Temperaturprofil erhalten wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmeübertragungsstruktur Strömungsleitbleche zum Leiten des Kühlmediums. Als Strömungsleitbleche können dabei Fins oder Rippenstrukturen dienen. Die Strömungsleitbleche haben den Vorteil, dass eine gezielte Kühlmittelführung vorgenommen wird, so dass bevorzugt zu kühlende Bereiche besser gekühlt werden.
Alternativ, umfasst die Wärmeübertragungsstruktur Gitterstrukturen. Unter einer Gitterstruktur wird hierbei eine Struktur verstanden, welche eine im Wesentlichen gleichmäßige Anordnung in wenigstens zwei Richtungen aufweist, so dass die Struktur Hohlräume ausspart, durch welche das Kühlmittel hindurchfließen kann. Dies hat den Vorteil, dass der Turbulenzgrad im Kühlmittelmantel erhöht wird, wodurch eine bessere Durchmischung des Kühlmediums und damit ein gleichmäßigeres Temperaturprofil erhalten wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen Oberflächen der Wände und/oder der Wärmeübertragungsstruktur eine dreidimensionale Struktur auf. Eine dreidimensionale Struktur besteht dabei aus Elementen, welche zusätzlich auf die Oberflächen in Form von Erhebungen oder Vertiefungen angeordnet sind. Diese dreidimensionalen Strukturen erhöhen dabei die Oberfläche, so dass der Wärmeabtransport verbessert wird. Vorzugsweise sind die Strukturen als Vertiefungen in einer regelmäßigen Anordnung aufgebracht. Die Struktur weist dabei z.B. eine Golfballoberfläche auf, so dass damit der Strömungswiderstand im Kühlmittelmantel reduziert wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Dabei zeigt

1 Ausschnitt aus einem Kühlmittelmantel nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
2 Ausschnitt aus einem Kühlmittelmantel nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, und
3 Ausschnitt aus einem Kühlmittelmantel nach einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Kühlmittelmantel 1 nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Der Kühlmittelmantel 1 weist dabei eine erste Wand 4 einer zu kühlenden Struktur auf. Zu dieser ersten Wand 4 ist gegenüberliegend und beabstandet eine zweite Wand 8 angeordnet. Beide Wände 4, 8 bilden einen Kanal 12 aus, welcher von einem Kühlmedium, wie z.B. Wasser oder Öl durchströmt ist. In dem Kanal 12 ist eine Wärmeübertragungsstruktur 16 angeordnet, die wärmeleitend mit beiden Wänden 4, 8 stofflich verbunden ist, um Wärme Q von der zu kühlenden Struktur abzuführen. Die Wärmeübertragungsstruktur 16 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel gebildet durch eine Vielzahl von Ästen 20, welche sich im Wesentlichen quer zu einer Strömungsrichtung S erstrecken und stofflich mit beiden Wänden 4, 8 verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird anstelle der Äste 20 für die Wärmeübertragungsstruktur 16 eine Gitterstruktur verwendet. Dadurch wird eine gute Durchmischung des Kühlmediums erzielt, wodurch ein gleichmäßigeres Temperaturprofil erhalten wird.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Kühlmittelmantel 1 nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Wärmeübertragungsstruktur 16 nicht durch Äste 20, sondern durch Strömungsleitbleche 24 gebildet ist, welche in Form von Fins ausgebildet sind. Diese Strömungsleitbleche 24 leiten das Kühlmedium gezielt zu bevorzugt zu kühlende Bereiche. Für die bessere Darstellung der Strömungsleitbleche verläuft die Strömungsrichtung S in die Zeichnungsebene hinein.
In 3 ist ein Ausschnitt aus einem Kühlmittelmantel nach einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den ersten beiden Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Wärmeübertragungsstruktur 16 durch eine Vielzahl von Stacheln 28 gebildet ist, welche sich zwischen den beiden Wänden 4, 8 erstrecken.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann auf Oberflächen der Wände 4, 8 und/oder der Wärmeübertragungsstruktur 16 der Ausführungsbeispiele eins bis drei eine dreidimensionale Struktur aufgebracht sein. Dadurch kann die Oberfläche vergrößert werden, so dass der Wärmeabtransport verbessert wird. Die dreidimensionale Struktur kann aber auch in Form einer regelmäßigen Anordnung von Vertiefungen in Form einer Golfballoberfläche aufgebracht sein, so dass der Strömungswiderstand reduziert wird.
Alle Ausführungsbeispiele können in Form eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Dadurch können auf einfache Weise komplexere Strukturen realisiert werden.
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

WO 2005/078900 A1 [0002]

Claims

Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend: - eine erste Wand (4) einer zu kühlenden Struktur und eine gegenüberliegende beabstandete zweite Wand (8), wobei beide Wände (4, 8) einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kanal (12) ausbilden, - eine Wärmeübertragungsstruktur (16), die in dem Kanal (12) wärmeleitend mit beiden Wänden (4, 8) stofflich verbunden ist, um Wärme (Q) von der zu kühlenden Struktur abzuführen.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wände (4, 8) und die Wärmeübertragungsstruktur (16) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sind.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) einstückig hergestellt ist.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsstruktur (16) wenigstens teilweise aus einem metallischen Material besteht.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsstruktur (16) im Wesentlichen quer zu einer Strömungsrichtung (S) des Kühlmediums im Kanal (12) angeordnet ist.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsstruktur (16) Strömungsleitbleche (24) zum Leiten des Kühlmediums umfasst.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsstruktur (16) Gitterstrukturen umfasst.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen der Wände (4, 8) und/oder der Wärmeübertragungsstruktur (16) eine dreidimensionale Struktur aufweisen.
Kühlmittelmantel (1) einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Struktur eine regelmäßige Anordnung von Vertiefungen umfasst.