DE102019002466B4 - Air-to-water intercooler - Google Patents
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Abstract
Luft-Wasser-Ladeluftkühler, eine äußere Geometrie, einen Luft- und Wasser-Eintrittsbereich, einen Wärmeübertragungsbereich und einen Luft- und Wasser-Austrittsbereich aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Geometrie und der Wärmeübertragungsbereich derart topologieoptimiert sind, dass Material gemäß den Forderungen der Festigkeit nur insoweit vorhanden ist, als es die zulässigen Spannungen vorgeben, der Luft-Wasser-Eintrittsbereich und der Luft-Wasser-Austrittsbereich derart strömungsoptimiert sind, dass wirbelauslösende Kanten verhindert werden und ein laminar fließendes Kühlfluid gewährleistet wird, die äußere Geometrie einer organischen Form entspricht und der Luft-Wasser-Ladeluftkühler durch ein additives Verfahren hergestellt ist.Air-water intercooler, having an outer geometry, an air and water inlet area, a heat transfer area and an air and water outlet area, characterized in that the outer geometry and the heat transfer area are topology-optimized in such a way that the material meets the requirements of Strength is only available insofar as the permissible stresses specify it, the air-water inlet area and the air-water outlet area are flow-optimized in such a way that eddy-causing edges are prevented and a laminar flowing cooling fluid is guaranteed, the external geometry corresponds to an organic shape and the air-to-water intercooler is manufactured by an additive process.
Description
Die Erfindung betrifft einen additiv gefertigten Luft-Wasser-Ladeluftkühler zur Kühlung der angesaugten Verbrennungsluft von hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren, welcher im Hinblick auf die Effizienz der Kühlung und die Minimierung von Bauraum, Gewicht und der Strömungsverluste optimiert ist.The invention relates to an additively manufactured air-water intercooler for cooling the intake combustion air of highly charged internal combustion engines, which is optimized with regard to the efficiency of the cooling and the minimization of installation space, weight and flow losses.
Ladeluftkühler sind in unterschiedlichen Bauarten bekannt. So offenbart die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladeluftkühler mit verstärkter Bodenplatte und/oder Deckplatte zur Verfügung zu stellen, der ein in Bezug auf Thermowechselspannungen verbessertes Betriebsverhalten aufweist, insbesondere, wenn es sich um einen Ladeluftkühler in Plattenbauweise handelt, im Bereich zwischen einer Bodenplatte und/oder Deckplatte und der jeweils benachbarten Platte.The invention is based on the object of providing a charge air cooler with a reinforced base plate and / or cover plate, which has an improved operating behavior with regard to alternating thermal voltages, in particular when it is a charge air cooler in plate construction, in the area between a base plate and / or cover plate and the respective adjacent plate.
Weiter ist aus der Offenlegungsschrift
Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift
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Zuletzt ist aus der
Der Nachteil des bekannten Standes der Technik liegt darin, dass aufgrund der Plattenbauweise der Kühlelemente eine bestimmte, meist rechteckige Form der Kühlfläche zwingend vorgegeben ist, wodurch sich in Relation zu der eigentlichen Ladeluftführung (i.d.R. als Rohrgeometrie ausgeführt) zum einen ein deutlich erhöhter Bauraumbedarf einstellt und zum anderen aufgrund der Querschnitts-/Geometrieänderungen zusätzliche Strömungsverluste entstehen Dieser Nachteil wird auch nur unwesentlich kleiner wenn die Platten nebeneinander angeordnet und damit die Gehäuseform flexibler gestaltet werden kann. Zuletzt werden durch den fehlenden Bauraum weitere Baugruppen verwendet (Motorhalterungen), deren strömungstechnische Geometrie nicht optimal abgestimmt ist und deren zusätzliche Belastung ursprünglich nicht vorgesehen war.The disadvantage of the known prior art is that due to the plate construction of the cooling elements, a certain, mostly rectangular shape of the cooling surface is mandatory, which in relation to the actual charge air duct (usually designed as a pipe geometry) on the one hand results in a significantly increased space requirement and on the other hand, the changes in cross-section / geometry result in additional flow losses. This disadvantage is also only insignificantly smaller if the plates are arranged next to one another and thus the housing shape can be made more flexible. Finally, due to the lack of installation space, further assemblies are used (motor mounts), their fluidic geometry is not optimally coordinated and its additional load was not originally intended.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Luft-Wasser-Ladeluftkühler vorzustellen, der gewichts-, bauraum- und strömungsoptimiert ist.The object of the invention is therefore to present an air-water charge air cooler that is optimized in terms of weight, installation space and flow.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This problem is solved by the features of the main claim. Advantageous embodiments are described in the subclaims.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass zur gewichtsoptimierten Ausgestaltung die äußere Geometrie topologieoptimiert ist. Material ist gemäß den Forderungen der Festigkeit nur insoweit vorhanden, als es die zulässigen Spannungen vorgeben. Besonders im Bereich der Halterungen sind so erhebliche Material- und Masseeinsparungen möglich.The advantage of the invention is that the outer geometry is topology-optimized for the weight-optimized configuration. According to the strength requirements, material is only available to the extent that it is specified by the permissible stresses. In this way, considerable savings in material and weight are possible, particularly in the area of the mounts.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Luft- Wasser-Ladekühlers ist der strömungsoptimierte An- und Abströmbereich der Kühllamellen als solches, welche die wassergefüllten Kühlkanäle an Ein- und Austritt der Kühlfläche umschließen. Die Strömungsverluste können damit im Vergleich zu den aus fertigungstechnischen Gründen kastenförmig gestalteten Kühllamellen konventioneller Wärmetauscher deutlich reduziert werden. In diesem Sinne werden wirbelauslösende Kanten verhindert und ein laminar fließendes Kühlfluid gewährleistet. Im Eingangsbereich befinden sich keine Wirbelströmung erzeugenden, sprunghaften Querschnittsveränderungen, sondern lediglich gleichmäßig Ansteigende bzw. Abfallende. Dabei wird weiterhin besonders die Fluideintrittsrichtung besonders berücksichtigt um bereits im Zuführsystem ein strömungsberuhigtes Fluid zu erzeugen.Another advantage of the air-water charge cooler according to the invention is the flow-optimized inflow and outflow area of the cooling fins as such, which enclose the water-filled cooling channels at the inlet and outlet of the cooling surface. The flow losses can thus be significantly reduced in comparison to the cooling fins of conventional heat exchangers, which are box-shaped for manufacturing reasons. In this sense, eddy-inducing edges are prevented and a laminar flowing cooling fluid is guaranteed. In the entrance area, there are no sudden changes in cross-section that generate eddy currents, but only evenly rising or falling ends. The direction of fluid entry is also particularly taken into account in order to generate a flow-calmed fluid in the feed system.
In einer weiteren, möglichen Ausgestaltung sind die Querschnitte nicht netzartig symmetrisch aufgebaut, sondern, je nach Spannungsverteilung im Bauteil unterschiedlich. Beispielsweise werden die Wandstärken im Bereich der Halterungen vergrößert, während sie in unbeanspruchten Außenbereichen verringert sind. Der bekannte Lagenaufbau der Plattenkühler weicht beispielsweise einer spannungsoptimierten Rundform.In a further, possible embodiment, the cross-sections are not constructed symmetrically like a network, but differ depending on the stress distribution in the component. For example, the wall thicknesses are increased in the area of the brackets, while they are reduced in unstressed outer areas. The well-known layer structure of the plate cooler gives way, for example, to a tension-optimized round shape.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Luft- Wasser-Ladekühlers ist der strömungsoptimierte Luft-Wasser-Austrittsbereich. Als Weiterentwicklung der bekannten kastenförmigen Austrittsbereiche wird der erfindungsgemäße Austrittsbereich strömungsoptimiert ausgelegt. In diesem Sinne werden wirbelauslösende Kanten verhindert und ein laminar fließendes Kühlfluid gewährleistet. Im Austrittsbereich befinden sich keine Wirbelströmung erzeugenden. sprunghaften Querschnittsveränderungen, sondern lediglich gleichmäßig Ansteigende bzw. Abfallende. Dabei wird weiterhin besonders die Fluidaustrittsrichtung besonders berücksichtigt um im Abführsystem ein strömungsberuhigtes Fluid zu erzeugen.Another advantage of the air-water charge cooler according to the invention is the flow-optimized air-water outlet area. As a further development of the known box-shaped outlet areas, the outlet area according to the invention is designed to be flow-optimized. In this sense, eddy-inducing edges are prevented and a laminar flowing cooling fluid is guaranteed. There are no eddy currents in the exit area. sudden changes in cross-section, but only evenly rising or falling end. In this case, the fluid outlet direction is also particularly taken into account in order to generate a flow-calmed fluid in the discharge system.
Der erfindungsgemäße Luft-Wasser-Ladeluftkühler ist aufgrund seines einteiligen Aufbaus im Gegensatz zur bekannten Plattenbauweise hinsichtlich seiner geometrischen Ausgestaltung an vorhandene Bauräume anpassbar. Die Geometrie kann aufgrund der Bedürfnisse weiterer Motorenbaugruppen angepasst werden. Dabei ist es ebenfalls möglich eine strömungsoptimierte Kontur zwischen Eingangs- und Ausgangsbereich zu schaffen, die beispielsweise um ein weiteres Bauteil herumgeführt ist oder notwendigen Raum für ein weiteres Bauteil, wie Motorblock, Einspritzanlage, Luftfilter oder weitere Kühler, schafftThe air-water charge air cooler according to the invention can be adapted to existing installation spaces in terms of its geometrical design due to its one-piece construction, in contrast to the known plate construction. The geometry can be adapted to the needs of other engine assemblies. It is also possible to create a flow-optimized contour between the inlet and outlet area, which for example is routed around another component or creates the necessary space for another component, such as an engine block, injection system, air filter or additional cooler
Voraussetzung für die einfache Umsetzung der erfindungsgemäßen Merkmale ist die Herstellung eines Luft-Wasser-Ladeluftkühlers durch ein additives Fertigungsverfahren. Sowohl die topologischen als auch die strömungstechnischen Forderungen werden schichtweise im Inneren des Luft-Wasser-Ladeluftkühlers wie in seiner äußeren Geometrie umgesetzt.The prerequisite for the simple implementation of the features according to the invention is the manufacture of an air-water charge air cooler using an additive manufacturing process. Both the topological and the fluidic requirements are implemented in layers inside the air-water intercooler as in its outer geometry.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Unteranspruch 2 beschrieben. Im Gegensatz zu bekannten Ladeluftkühlen, deren Einzel-Kühllamellen im Guss-, Strangpress- oder Biegeverfahren hergestellt werden und mittels Lötprozess zu einem Wärmetauscher verbunden werden, kann der Wärmeübertragungsbereich des erfindungsgemäßen Luft-Wasser-Ladeluftkühlers topologieoptimiert werden, wodurch sich z.B. dünnere Wandstärken der Trennwände von Wasserkanal und Luftkanal realisieren lassen, die wiederum eine Verbesserung der Wärmeabfuhr ermöglichen. Eine aus Festigkeitsgesichtspunkten, partielle Verbindung gegenüberliegender Wände im Kühlkanal in Form vom Stegen kann die Wandstärke zwischen Kühlkanal und Luftkanal auf ein Minimum reduzieren und die abgeführte Wärme maximieren.A particularly advantageous embodiment is described in
Vorteilhaft wirken sich alle o.g. Topologieoptimierungen auf das Flächenverhältnis von Luftkanal zur Kühlfläche und Wänden aus, was hierdurch größer wird. Auf das Volumen bezogen kann die wirksame Kühlfläche somit erhöht werden, die Kühlleistung pro Volumen wird dadurch erhöht; Folglich können kompaktere Wärmetauscher realisiert werden.All of the above have an advantageous effect Topology optimizations on the area ratio of the air duct to the cooling surface and walls, which becomes larger as a result. In relation to the volume, the effective cooling surface can thus be increased, the cooling capacity per volume is increased as a result; As a result, more compact heat exchangers can be realized.
Strömungsoptimiert im Sinne des erfindungsgemäßen Luft-Wasser-Ladeluftkühlers bedeutet, dass die Strömung unterhalb der kritischen Reynoldszahl liegt um einen wirbelfreien Strom mit geringem Widerstand und hohem Massedurchsatz zu garantieren. Ein derart auf laminare Strömung optimierter Luft-Wasser-Ladekühler ist in Unteranspruch 3 beschrieben.Flow-optimized in the sense of the air-water charge air cooler according to the invention means that the flow is below the critical Reynolds number in order to guarantee an eddy-free flow with low resistance and high mass throughput. An air-water charge cooler optimized for laminar flow is described in dependent claim 3.
Es zeigt die
Es zeigt
Es zeigt
Es zeigt
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Querschnittcross-section
- 22
- LuftleitkanäleAir ducts
- 33
- WasserleitkanäleWater ducts
- 44th
- Halterungbracket
- 55
- Bereich benachbarter BaugruppeArea of adjacent assembly
- 1111
- WassereintrittWater ingress
- 1212
- LufteintrittsöffnungAir inlet opening
- 1313th
- WasserkanäleWater channels
- 2121st
- LadeluftkühlerIntercooler
- 2222nd
- WassereintrittsbereichWater entry area
- 2323
- LufteintrittsbereichAir inlet area
- 2424
- WärmetauscherbereichHeat exchanger area
- 2525th
- WasseraustrittsbereichWater outlet area
- 2626th
- LuftaustrittsbereichAir outlet area
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