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Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einem solchen.
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Die Entwicklung der Fahrzeuge zu Land, zu Wasser und in der Luft zielt neben hoher Sicherheit immer mehr auf höhere Geschwindigkeiten ab. Diese ist insbesondere bei Kraftfahrzeugen, also durch Motoren angetriebene Fahrzeuge, durch das Verhältnis von Leistung des Motors zu Gewicht und Widerstand des Fahrzeugs abhängig. Eine reine Erhöhung der Motorleistung ist häufig mit einer Größen- und Gewichtszunahme des Motors und mit einer Gewichtszunahme weiterer verbundener Bauteile verbunden, so dass sie zumeist nicht oder nicht in vollem Maße in eine Erhöhung des Wirkungsgrads umgewandelt werden kann. So muss mit der Motorleistung beispielsweise auch die Kühlleistung erhöht werden.
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Eine effektive Kühlung eines Verbrennungsmotors ist die Voraussetzung für hohe Leistung. Somit geht eine Erhöhung der Kühlleistung mit einer Vervielfachung der Kühlelemente und dadurch sowohl mit einer Gewichtserhöhung des Fahrzeugs, als auch mit einem erhöhten Raumbedarf der Kühlelemente im Motorraum einher.
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Für aktuelle Wärmeübertragungsysteme werden derzeitig trotz der geringen Wärmeleitfähigkeit hauptsächlich Edelstähle, Aluminium und unverstärkte Kunststoffe als Werkstoff eingesetzt, um die geforderte Korrossions- und Medienbeständigkeit zu gewährleisten. Für hoch beanspruchende Flüssigkeiten ist es notwendig aufwändigere Nickel-Chrom-Molybdän Legierungen zu verwenden, die neben der höheren Dichte auch eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Zur Reduzierung des Gewichts wurde in den vergangenen Jahren beim Bau der Kühleinheiten und Verbrennungsmotoren verstärkt auf Leichtmetalle, insbesondere Aluminium als Material von niedrigem Gewicht gesetzt. Alkalimetallborate, die als gute Korrosionsinhibitoren für Motoren aus Gusseisen bekannt sind, schützen Aluminium jedoch nicht gut vor Korrosion (
JP 49-5509 ), so dass diese Alternative weitere Probleme nach sich zieht. Das hohe Materialgewicht, die geringe Wärmeleitfähigkeit, die hohen Kosten sowie die Korrosionsanfälligkeit stellen einen erheblichen Nachteil dar. Zwar besitzen die hierbei installierten Wärmeübertrager einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad, jedoch reduziert sich dieser bei Betrachtung der Energiebilanz entscheidend durch das hohe Eigengewicht und die Baugröße.
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Zudem ist nicht zuletzt wegen des erhöhten Raumbedarfs die Steigerung der Motorleistung stark limitiert und mit den derzeit zur Verfügung stehenden Mitteln ist bereits ein Ende erreicht, insbesondere dann, wenn an bekannten und klassischen Geometrien festgehalten werden soll.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Möglichkeit bereitzustellen, den für eine Antriebseinheit, insbesondere einen Motor zur Verfügung stehenden Raum bei Erhöhung oder zumindest Beibehaltung der Kühlleistung derart zu erhöhen, dass keine sichtbaren Anpassungen der äußeren Fahrzeuggeometrie nötig sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Strukturbauteil und ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug, welches zumindest ein formgebendes Strukturelement besitzt, das mindestens einen mit dem Strukturelement form- oder stoffschlüssig verbundenem geschlossenen Kühlmittelkanal zum Führen eines Kühlmittelfluids sowie einem Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass zum Verbinden des Kühlmittelkanals mit einem externen Kühlmittelkreislauf aufweist. Mit anderen Worten, ist das erfindungsgemäße Strukturbauteil so eingerichtet, einen Wärmeaustausch zwischen einer Oberfläche und dem im Kühlmittelkanal geführten oder führbaren Kühlmittel zu ermöglichen. Das Strukturbauteil fungiert als Wärmetauscher, oder der Wärmetauscher ist in das Strukturbauteil integriert. Somit übernimmt das Strukturbauteil bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zumindest einen Teil der Kühlleistung in einem Fahrzeug. Je nach weiterer Ausgestaltung des Strukturbauteils erreicht die Kühlleistung mindestens die eines herkömmlichen Wärmetauschers.
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Strukturbauteile zeichnen sich durch ein besonders großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aus. Somit ist im Vergleich zu Vollgussteilen ähnlicher äußerer Form das Gewicht um ein Vielfaches reduziert. Dies wird dadurch erreicht, dass die formgebende äußere Oberfläche eine sehr geringe Wandstärke aufweist und sich von dieser an definierter Stelle Stabilisierungselemente erstrecken.
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Erfindungsgemäß weist das Strukturelement und/oder der Kühlmittelkanal einen Bereich auf, welcher ein mit Kohlenstoffelementen durchsetztes Polymer aufweist oder aus einem solchen besteht. Derartige Polymere sind beispielsweise aus der
DE 10 2019 106 387 ,
DE 10 2018 102 061 und
DE 10 2017 108 079 bekannt und zeichnen sich durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Dies führt dazu, dass das Strukturelement über die Wandstärke und seine gesamte äußere Oberfläche Wärme vom Kühlmittelkanal abführt und somit das Kühlfluid gekühlt wird. Der Kühlmittelkanal selbst ist mithin nicht an einer äußeren Oberfläche des Strukturbauteils anzuordnen. Dies führt dazu, dass die Anordnung des Kühlmittelkanals die äußere Geometrie des Strukturbauteils nicht bestimmt.
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Damit ist ein Wärmeübertragungssystem mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Korrosionsbeständigkeit und deutlich reduziertem Bauteilgewicht bereitgestellt, wodurch zusätzliche Anbindungs- und konventionelle Wärmeübertragungssysteme substituiert werden können. Zudem kann bei Anordnung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils in der Nähe der Wärmequelle eine deutliche Verkürzung der Wege des Kühlmittelsystems und mithin eine deutliche Verringerung der Kühlmittelmenge erzielt werden.
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Da eine Integration des Wärmetauschers in bestehende Bauteile erfolgt, führt ein Fortlassen eines herkömmlichen Wärmetauschers zu einer Reduktion der Teilezahl und mithin zu einer Reduzierung des Gesamtgewichts.
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Letztlich waren Antriebseinheiten bislang durch die mögliche Kühlleistung in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt, was mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil überwunden wird.
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Mit besonderem Vorteil sind die Kohlenstoffelemente, Kohlenstoffpartikel, Graphen und/oder Kohlenstofffasern und/oder -nanoröhren. Diese zeigten sich als besonders geeignet zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und je nach Ausgestaltung, auch zur Verstärkung des Strukturbauteils. Es zeigte sich ferner, dass die Wärmeleitung weiter optimiert ist, wenn die Kohlenstoffelemente gezielt im Material angeordnet sind, das heißt zum einen, miteinander in Kontakt stehen und/oder zueinander und zur Oberfläche des Strukturelements ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Erstreckungsrichtung der Fasern oder Röhren beziehungsweise der einander kontaktierenden Teilchen in einem Winkel im Bereich von 10 bis 90°, insbesondere im Bereich von 30 bis 90 ° angeordnet sind. Dies erhöht die schnelle Abführung von Wärme.
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Grundsätzlich sind Strukturbauteile großflächige, dünnwandige Teile. Dies bedeutet, dass die Materialmengen verglichen mit der Teileoberfläche relativ gering sind. Die Strukturbauteile besitzen jedoch auch dickwandige Abschnitte mit Materialanhäufungen. Auf die Formoberfläche bezogen entstehen dadurch einerseits thermisch unterkühlte Bereiche und andererseits thermisch überbelastete Stellen.
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Eine Ausrichtung im Bereich von 10 bis 60°, insbesondere von 30 bis 50° ist ferner insbesondere in Bereichen vorgesehen, an denen Materialanhäufungen ausgebildet sind. Derartige Materialanhäufungen sind vorzugsweise an Abschnitten des Strukturelements vorgesehen, welche sich senkrecht von einer benachbarten Oberfläche erstrecken, sich also eine Profilstruktur und/oder eine Verjüngung der Oberfläche ergibt. In diesen Abschnitten besteht bei herkömmlichen Materialien die Gefahr von Wärmebrücken, die durch die bevorzugte Ausrichtung der Kohlenstoffelemente des erfindungsgemäßen Strukturbauteils, insbesondere in der bevorzugten Ausgestaltung reduziert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strukturelement eine, bevorzugt eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist.
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Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass benachbarte Wandungen der Durchgangsöffnungen einen Abstand im Bereich von 0,5 bis 10 cm, vorzugsweise 1 bis 5 cm aufweisen. Hierbei verhält sich der Abstand proportional zur Laminarität eines durch den Kanal strömenden Fluids.
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Die Durchgangsöffnungen weisen bevorzugt einen wabenförmigen, einen runden, einen elliptischen, mäanderförmigen oder anders regelmäßigen Querschnitt auf. Derartige Durchgangsöffnungen können beispielsweise fluidführend ausgestaltet sein und mithin bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mit einem Kühlmittel oder Luft durchströmt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung bildet das Strukturbauteil zumindest bereichsweise einen offenen oder geschlossenen Luftkanal zur gerichteten Luftströmung aus. Bei dieser Ausgestaltung weist insbesondere der den Luftkanal ausbildenden beziehungsweise an diesen angrenzende Bereich des Strukturelements die Kohlenstoffelemente auf. In dieser Ausgestaltung ist ein Abtransport der vom Strukturelement vom Kühlkanal des Strukturbauteils abgeleiteten Wärme aufgrund der im Luftkanal geführten und beschleunigten Luft erhöht. Mithin ist eine Effizienz der Kühlwirkung des als Wärmetauscher wirkenden Strukturbauteils erhöht.
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Somit liegt an der wärmetauschenden Einheit im Vergleich zu herkömmlichen Wärmetauschern ein größerer Volumenstrom mit teilweise erhöhter Strömungsgeschwindigkeit an. Die dadurch erzeugte Luftströmung ermöglicht eine zusätzliche Kühlmittelreduzierung.
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Je nach Ausgestaltung ermöglicht die Struktur turbulente Strömungen an den Wandungen der Durchgangsöffnungen und deren Endabschnitten, was im Weitesten zu einer Erhöhung der Molekülkontakte an der Oberfläche und somit einer höheren Wärmeübertragung führt.
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Je nach Ausgestaltung des Luftkanals ist die aus dem Luftkanal strömende Luft derart geführt, dass gezielt Auf- und Abtriebseffekte erzielbar sind, die beispielsweise die Leistungsfähigkeit von Sportwagen erhöhen oder die Flugeigenschaften eines Luftfahrzeugs positiv beeinflussen.
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Vorliegend ist unter Luftkanal ein eine Luftströmung richtendes und begrenzendes Element zu verstehen, welches einen Lufteinlass, durch welchen die Luft in den Luftkanal einströmt und einen stromabwärts angeordneten Luftauslass sowie mehrere Wandungen aufweist, welche die Seiten des Kanals begrenzen. Je nach Ausgestaltung und insbesondere Durchmesser und Ausgestaltung der Wandungen ist die im Kanal geführte Luftströmung laminar und/oder verwirbelt.
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Ein geschlossener Luftkanal eines Fahrzeugs ist beispielsweise allseits an allen Seiten durch ein oder mehrere Bauteile begrenzt und führt beispielsweise Außenluft zu einem im Inneren, beispielsweise im Motorraum oder im Bereich eines Seitenschwellers angeordneten Kühler. Offene Luftkanäle sind hingegen an zumindest einer Seite des Kanals offen, weisen also dort keine Wandung auf. Derartige offene Luftkanäle sind beispielsweise am Heck eines Fahrzeugs oder auf der Ober- oder Unterseite von Tragflächen angeordnet.
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Mit besonderem Vorteil erstrecken sich in den Luftkanal bezogen auf dessen Querschnitt, insbesondere lamellen-, waben-, finnen- oder stäbchenförmige Verzweigungen der Strukturelemente hinein oder durch den Luftkanal hindurch. Dies führt zu einer vorteilhaften Erhöhung der Oberfläche und mithin zu einer weiteren Effizienzerhöhung der Wärmetauscherfunktion des Strukturbauteils. Darüber hinaus führt die Anordnung der weiteren Strukturelemente insbesondere dann, wenn sich die Verzweigungen durch den Luftkanal hindurcherstrecken, also zwei einander gegenüberliegende Wandungen des Luftkanals verbinden, zu einer deutlichen Stabilitätserhöhung. Dies ist insbesondere für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils als aktives oder crashbelastetes Strukturbauteil vorteilhaft.
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Sind die Verzweigungen derart ausgebildet, dass sie sich nicht nur über den Querschnitt, sondern über die gesamte Länge des Luftkanals erstrecken, bilden sie im Luftkanal eine Mehrzahl von offenen oder geschlossenen Unterkanälen aus und erhöhen dadurch die wärmeaustauschende Oberfläche des Strukturelements und gegebenenfalls die Strömungsgeschwindigkeit. Sind sie hingegen bezogen auf die Länge des Luftkanals nur in einem Abschnitt angeordnet, wirken sie als Störer und beeinflussen in erster Linie die Art der Luftströmung.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wandung im Bereich der Durchgangsöffnungen eine Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 mm aufweist. In diesem Bereich ist das Verhältnis von Stabilität zu Wärmeleitung optimiert.
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Mit Vorteil ist das Strukturbauteil zur Luftableitung, Luftweiterleitung und oder Luftdurchführung ausgebildet, insbesondere als Luftleitblech, Spoiler, Bodenleitblech, Monocoque, Crashelement, Längsträger, Seitenschweller, Lufteinlasseinheit, insbesondere Kühlergrill oder als Teil eines der Vorgenannten und/oder ein Teil einer Karosserie, einer Wagenkastenstruktur, einer Fahrwerkstruktur, eines Flugzeugrumpfes, eines Flugzeugflügels oder einer Raketenstufe ausgebildet. Es zeigte sich, dass in diesen Ausgestaltungen das Strukturbauteil die Funktion eines herkömmlichen Kühlers übernehmen und die durch einen solchen bereitstellbare Kühlleistung sogar übertreffen kann. Dies führt dazu, dass die Motorleistung bei gleichbleibender Motorraumgröße und reduziertem Gewicht weiter steigerbar ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug aufweisend einen Kühlkreislauf, einen Luftströmungskanal und ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil, wobei der Kühlmittelkanal mit dem Kühlkreislauf fluidführend verbunden oder Teil des Kühlkreislaufes ist.
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In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein fluiddurchströmte Kühlrippen aufweisender Kühler durch das Strukturbauteil ersetzt ist. Somit ist das Gewicht des Fahrzeugs ebenso wie der durch den Wärmetauscher in Anspruch genommene Motorraum bei zumindest gleichbleibender Kühlleistung deutlich reduziert und mithin die Leistung durch eine Antriebseinheit, insbesondere durch einen Verbrennungsmotor bei gleichbleibender äußerer Fahrzeuggeometrie erhöhbar.
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Soweit im Einzelfall nicht anders erwähnt, sind die beschriebenen Ausführungen mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Im Weiteren wird die Erfindung am Beispiel von Figuren weiter beschrieben.
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Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Querschnittszeichnung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils im Bereich eines Luftkanals in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
- 2: eine Schnittzeichnung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils im Bereich eines Luftkanals in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, und
- 3: eine schematische Detailzeichnung eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Strukturbauteils in der zweiten Ausgestaltung.
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1 zeigt eine Querschnittszeichnung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 in perspektivische Ansicht. Das Strukturbauteil 10 weist ein Strukturelement 1 aus, welches sich in der gezeigten Ausführungsform derart verzweigt, dass eine Mehrzahl wabenförmiger Kanäle 5a entsteht, von denen in dem gezeigten Ausschnitt eine geschlossene Wabe gezeigt ist.
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Die Kanäle 5a weisen bevorzugt ein Durchmesser im Bereich von 0,2mm bis 200mm auf. Je größer der Durchmesser der Kanäle 5a, desto größer ist der in ihnen strömende Volumenstrom und desto größer der Anteil laminarer Strömung.
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Die Verzweigungen 1a Strukturelement 1 erfolgt in gezeigter Ausführungsform links erstreckt, so dass die Verzweigungen 1a einen geschlossenen Kanal 5a ausbilden. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, also beispielsweise bei der Anordnung des Strukturbauteils 10 im Luftkanal eines Kraftfahrzeugs, kann der geschlossene Kanal 5a zur Führung eines Luftstroms L dienen.
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Ferner weist das Strukturbauteil 10 einem Kühlmittelkanal 3 auf. Der Kühlmittelkanal 3 ist als geschlossener Kanal zur Führung eines Fluids, beispielsweise eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform verläuft der Kühlmittelkanal 3 quer zur Strömungsrichtung des Luftstroms L, sodass eine Flussrichtung eines Fluidstroms F quer zur Strömungsrichtung des Luftstroms verläuft.
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Ferner weist das Strukturbauteil einen Kühlmittel Einlass und einen Kühlmittelauslass (beides nicht gezeigt) auf, welche beide Fluid führend mit dem Kühlmittelkanal 3 verbunden sind.
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Das Strukturbauteil 10 weist insbesondere einen faserverstärkten Kunststoff (CFK) 3 auf und ist, insbesondere im gezeigten Abschnitt gefertigt. Im Vergleich zu bekannten als Strukturbauteil verwendeten Materialien weist das Strukturbauteil 10 zudem Kohlenstoffelemente 3a auf. Diese Kohlenstoffelemente 3a können als Partikel, oder bevorzugt in Form von Kurzfasern, mit einer Länge von bis zu 1 mm und einer Dicke im Bereich von 5-6 µm, Lang-und/oder Endlosfasern mit einer Länge ab 1 mm und einer Dicke ebenfalls im Bereich von 5-6 µm, Kohlenstoffnanoröhren mit einem Durchmesser ab 0,4 nm, oder aber als Kohlenstoffpartikel Partikelgrößen im Bereich von 10-70 µm vorliegen. Ebenfalls denkbar ist die Verwendung von Metallpulver, welche bevorzugt ein Partikeldurchmesser von mehr als 15 µm aufweisen oder bei einem Durchmesser von weniger als 15 µm mittels Compoundierung zu Filamenten verarbeitet wurden.
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Die Kohlenstoffelemente 3a sind bevorzugt in Polymer 3 im Wesentlichen quer zur Materialdicke des Polymer 3 ausgerichtet.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 10 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Gezeigt ist der Querschnitt eines Luftkanals 5, wir beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Führung von Außenluft in den Motorraum vorgesehen ist.
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Das Strukturbauteil 10 weist einen den Luftkanal 5 an drei Seiten begrenzendes Strukturelement 1 auf. Auf eine dem Inneren des Luftkanals 5 zugewandten Oberfläche des Strukturelements 1 erstrecken sich finnenförmige Verzweigungen 1a des Strukturelements 1 in den Luftkanal 5 hinein. diese bilden offene Kanäle 5b aus.
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In der gezeigten Ausgestaltung durchstoßen die Finnen das Strukturelement, sodass sie auf einer dem Luftkanal 5 abgewandten Oberfläche des Strukturelements 1 ebenfalls aus diesem heraustreten.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die finnenförmigen Verzweigungen 1a im Bereich des Durchstoßpunktes zur Stabilisierung der Finnen verstärkt, weisen also eine Materialanhäufung 4 auf.
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Ferner weist das Strukturbauteil 10 einen Kühlmittelkanal 2 auf, welcher an das Strukturelement 1 angrenzt und in der gezeigten Ausführungsform form- und oder stoffschlüssig mit dem Kühlkanal 2 verbunden ist.
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3 zeigt eine Detailzeichnung den 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strukturbauteil 10. Hierin ist insbesondere die Ausrichtung der Kohlenstoffelemente 3a gezeigt. So erstrecken sich die Kohlenstoffelemente 3a im Bereich der Finnen bevorzugt in Erstreckungsrichtung, während sie im Bereich des Strukturelements und einer Wandung des Kühlmittelkanals 2 im Wesentlichen quer zur Erstreckungsrichtung des Strukturelements 1 bzw. des Kühlmittelkanals 2 ausgerichtet sind, im Besonderen einen Winkel im Bereich von 10-50° zu diesen aufweisen. Im Bereich der Materialanhäufungen 4 sind die Kohlenstoffelemente 3a bevorzugt im Winkel von 40-50°, insbesondere im Winkel von 45° zur Erstreckungsrichtung des Torelements 3 und zur Erstreckungsrichtung der jeweiligen Verzweigung 3a, bzw. der jeweiligen Finne 3a ausgerichtet.
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Das beschriebene Strukturbauteil 10 hat die Funktion eine möglichst effiziente Wärmeübertragung eines Fluidstroms F auf einen Luftstrom L zu gewährleisten. Hierzu werden möglichst leichte Materialien, insbesondere faserverstärkte Polymere 3 verwendet, deren Leitfähigkeit durch wärmeleitfähige Kohlenstoffelemente 3a erhöht ist. Die Wärmeleitfähigkeit wird durch die Ausrichtung der Kohlenstoffelemente 3a weiter erhöht, da die Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstoffelemente 3a in Erstreckungsrichtung der Kohlenstoffelemente 3 erhöht ist, erhöht sich auch die Wärmeleitfähigkeit des Strukturelements 1 und mithin die Effizienz des gesamten Strukturbauteils, wenn die Kohlenstoffelemente 3A im Wesentlichen quer zur Erstreckungsrichtung des Strukturelements 1 verlaufen.
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Bezugszeichenliste
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- L
- Luftstrom
- F
- Fluidstrom
- 10
- Strukturbauteil
- 1
- Strukturelement
- 1a
- Verzweigungen des Strukturelements, wabenförmig/ finnenförmig
- 2
- Kühlmittelkanal
- 3
- Polymer/faserverstärkter Kunststoff
- 3a
- Kohlenstoffelemente (Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren, Kunststoffpartikel)
- 4
- Materialanhäufung
- 5
- Luftkanal
- 5a
- geschlossene Kanal
- 5b
- offener Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 49005509 [0005]
- DE 102019106387 [0011]
- DE 102018102061 [0011]
- DE 102017108079 [0011]
