DE102021111606A1

DE102021111606A1 - Kühlkörper zur Herstellung eines Ringkühlers

Info

Publication number: DE102021111606A1
Application number: DE102021111606.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Wosch; Marcus Singer
Original assignee: Diehl Metall Stiftung and Co KG
Current assignee: Diehl Metall Stiftung and Co KG
Priority date: 2021-05-05
Filing date: 2021-05-05
Publication date: 2022-11-10
Also published as: EP4086560B1; CN115307476A; EP4086560A1; EP4086560C0

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Herstellung eines Ringkühlers, gebildet aus einem rohrartigen Grundkörper (1), an dessen äußerer Umfangsfläche (U1) eine Vielzahl sich nach außen verjüngender Kühlvorsprünge (2, 2a, 2b) angeformt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Herstellung eines Kühlers sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlkörpers.
Nach dem Stand der Technik sind Kühlkörper zur Herstellung eines Ringkühlers allgemein bekannt. Derartige Kühlkörper weisen einen rohrartigen Grundköper auf, an dessen äußerer Umfangsfläche Kühlvorsprünge in Form von axial verlaufenden Rippen angeformt sind. Solche Kühlkörper werden nach dem Stand der Technik üblicherweise mittels Extrusion hergestellt.
Insbesondere zur Erzielung einer hohen Kühlleistung ist es erforderlich, bei den bekannten Ringkühlkörpern die Kühlrippen relativ großflächig auszubilden. Infolgedessen sind Ringkühlkörper mit einer hohen Kühlleistung voluminös und schwer oder aufwändig in der Herstellung.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein kompakter Kühlkörper zur Herstellung eines Ringkühlers angegeben werden, welcher eine hohe Kühlleistung aufweist. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll ein möglichst einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 17 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Kühlkörper zur Herstellung eines Ringkühlers vorgeschlagen, gebildet aus einem rohrartigen Grundkörper, an dessen äußerer Umfangsfläche eine Vielzahl sich nach außen verjüngender Kühlvorsprünge angeformt sind.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung der Kühlvorsprünge ermöglicht eine Herstellung des Kühlkörpers mittels Schmieden, insbesondere Hohlschmieden. Es kann insbesondere eine spanabhebende Bearbeitung vermindert werden. Der vorgeschlagene Kühlkörper kann einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „Kühlvorsprünge“ allgemein zu verstehen. Es kann sich dabei um Lamellen handeln, welche in axialer Richtung, in Umfangsrichtung oder schräg dazu verlaufen. Die Lamellen können abschnittsweise ausgebildet sein, d. h. insbesondere auch in axialer Richtung voneinander beabstandet sein. Kühlvorsprünge können pyramidal, spitz zulaufend, kegelig, kegelstumpfartig, ballig, zapfenartig oder halbkugelartig ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise ist eine Vielzahl benachbarter Kühlvorsprünge vorgesehen, zwischen denen Kühlfluid strömen kann.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist auch der Begriff „rohrartiger Grundkörper“ allgemein zu verstehen. Der rohrartige Grundkörper kann einen im Wesentlichen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. Es ist auch denkbar, dass der rohrartige Grundkörper einen polygonalen, d. h. eckigen, Querschnitt aufweist. Der rohrartige Grundkörper muss nicht unbedingt geschlossen ausgebildet sein. Es kann sein, dass der rohrartige Grundkörper zumindest einen axialen und/oder radialen Schlitz und/oder zumindest einen Durchbruch aufweist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der rohrartige Grundkörper zylindrisch ausgebildet. In diesem Fall weist der rohrartige Grundkörper eine im Wesentlichen kreisringförmige Querschnittsfläche auf.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die äußere Umfangsfläche in Umfangsrichtung zumindest drei Segmente mit Kühlvorsprüngen auf, welche jeweils durch zwei Flächen begrenzt sind. Die beiden Flächen können sich entlang der Zylinderachse schneidende Axialebenen sein. Die beiden Axialebenen können einen ersten Winkel α von höchstens 120° bilden. Durch eine Winkelhalbierende der beiden Axialebenen verläuft eine Axial-Mittelebene. Die vorgeschlagene segmentartige Ausgestaltung der Umfangsfläche ermöglicht die Herstellung des Kühlkörpers mit einem Hohlschmiedewerkzeug, welches in Umfangsrichtung z. B. aus drei Segmenten gebildet ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung erstrecken sich sämtliche Kühlvorsprünge eines jeden Segments in einer einzigen Erstreckungsrichtung von der äußeren Umfangsfläche. D. h. die Kühlvorsprünge eines jeden Segments können sich sowohl in radialer Richtung als auch in einer Richtung schräg zur radialen Richtung erstrecken. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass mit derartig ausgestalteten Kühlvorsprüngen eine hervorragende Kühlleistung erreicht werden kann.
Die Erstreckungsrichtung verläuft zweckmäßigerweise parallel zu einem in der Axial-Mittelebene liegenden Radius. Die Erstreckungsrichtung entspricht im Wesentlichen einer radial-linearen Bewegungsrichtung eines Werkzeugsegments des Hohlschmiedewerkzeugs.
Nach einer weiteren Ausgestaltung bildet ein Abschnitt einer Mantelfläche eines jeden Kühlvorsprungs mit der Erstreckungsrichtung einen zweiten Winkel β von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 0,3°. Die vorgeschlagene Ausgestaltung der Kühlvorsprünge ermöglicht ein störungsfreies Entformen. Der zweiten Winkel β weist ein positives Vorzeichen auf, sofern sich der Schnittpunkt zwischen der Erstreckungsrichtung und dem Abschnitt der Mantelfläche außerhalb des äußeren Umfangs befindet.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind erste Kühlvorsprünge im Bereich der Winkelhalbierenden rotationssymmetrisch und zweite Kühlvorsprünge in der Nähe der Axialebenen nicht-rotationssymmetrisch gestaltet. Die Kühlvorsprünge können in Axialrichtung sich erstreckende Reihen bilden. Zweckmäßigerweise sind die Kühlvorsprünge einer Reihe identisch gestaltet. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass die Kühlvorsprünge von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Reihen in zumindest einem der Segmente versetzt zueinander angeordnet sind. Das bewirkt eine besonders hohe Kühlleistung.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die äußere Umfangsfläche zwei Segment-Paare auf, welche bezüglich einer durch die Zylinderachse verlaufenden Symmetrieebene spiegelsymmetrisch oder bezüglich der Zylinderachse rotationssymmetrisch sind. Die vorgeschlagenen Segment-Paare korrespondieren zu einem Hohlschmiedewerkzeug, welches in entsprechender Weise aus zwei Paaren von Werkzeugsegmenten gebildet ist. Die Werkzeugsegmente ergänzen sich bei geschlossenem Werkzeug zu einem Ring, dessen Innenseite eine Matrize zur Herstellung insbesondere der Kühlvorsprünge bildet. Im Ring wird ein umzuformendes Halbzeug, beispielsweise ein Rohrabschnitt, angeordnet. Eine Umformkraft wird axial mittels eines in den Ring einfahrbaren Aktivteils eingebracht, welches zumindest abschnittsweise konisch sein kann.
An der äußeren Umfangsfläche des Kühlkörpers kann zumindest ein sich in axialer Richtung erstreckender Steg angeformt sein. Ferner ist es möglich, dass an einer der äußeren Umfangsfläche gegenüberliegenden inneren Umfangsfläche lamellenartige Vorsprünge angeformt sind. Die lamellenartigen Vorsprünge können sich in Axialrichtung erstrecken oder nach Art einer Wendel ausgebildet sein.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Grundkörper mittels Hohlschmieden umgeformt wird. Zu diesem Zweck wird der Grundkörper bzw. ein Halbzeug in einen Formraum eingebracht. Der Formraum wird durch Segmente eines Hohlschmiedewerkzeuges gebildet. Zum Umformen des Halbzeugs wird ein Aktivteil in den Formraum bewegt, sodass das Material des Halbzeugs in eine durch die Werkzeugsegmente gebildete Matrize gedrückt wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers,
2 eine schematische Schnittansicht durch einen weiteren Kühlkörper,
3 eine vergrößerte Teilansicht gemäß 2,
4 eine erste perspektivische Teilansicht gemäß 2,
5 eine zweite perspektivische Teilansicht gemäß 2, und
6 eine Schnittansicht durch Werkzeugsegmente eines Hohlschmiedewerkzeugs.

Bei dem in 1 gezeigten Kühlkörper erstrecken sich von einer äußeren Umfangsfläche U1 eines rohrartigen Grundkörpers 1 eine Vielzahl von Kühlvorsprüngen 2. Die Kühlvorsprünge 2 sind säulen- bzw. zapfenartig ausgebildet. Ferner ist an der äußeren Umfangsfläche U1 ein in axialer Richtung sich erstreckender Steg 3 angeformt. Im Bereich der einen Stirnseite (hier nicht sichtbar) erstreckt sich von der äußeren Umfangsfläche (U1) ein umlaufender Flansch 4, welcher an seiner weiteren Umfangsfläche mit einer umlaufenden Nut 5 versehen sein kann.
Der Grundkörper 1 ist hier im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der Kühlkörper ist zumindest aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Messing oder einem anderen Metall, welches sich insbesondere mittels Hohlschmieden umformen lässt, hergestellt. Es wird als vorteilhaft angesehen, zumindest ein Metall zu verwenden, welches sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet.
Bei dem in 2 gezeigten weiteren Kühlkörper wird deutlich, dass die mit den Kühlvorsprüngen 2 versehene äußere Umfangsfläche U1 in mehrere Segmente gegliedert ist. Die mit den Kühlvorsprüngen 2 versehene äußere Umfangsfläche U1 ist hier in vier Segmente S1, S2, S3, S4 gegliedert. Jedes der Segmente S1, S2, S3 und S4 ist jeweils durch zwei sich entlang einer Zylinderachse Z unter einem ersten Winkel α von hier 90° schneidenden Axialebenen A1, A2, A3 und A4 begrenzt. Der weitere Kühlkörper ist spiegelsymmetrisch bezüglich einer den Axialebenen A1 bzw. A3 entsprechenden Symmetrieebene. Mit dem Bezugszeichen W1, W2, W3 und W4 sind Axial-Mittelebenen bezeichnet, welche sich ebenfalls in der Zylinderachse Z schneiden. Die Axial-Mittelebenen W1, W2, W3 und W4 bilden bezüglich des ersten Winkels α eine Winkelhalbierende.
Die Kühlvorsprünge 2 eines jeden Segments S1, S2, S3 und S4 erstrecken sich jeweils in einer einzigen Erstreckungsrichtung E1, E2, E3 und E4 von der äußeren Umfangsfläche U1. Die Erstreckungsrichtungen E1, E2, E3 und E4 verlaufen hier jeweils parallel zu einem in der korrespondierenden Axial-Mittelebene W1, W2, W3 und W4 liegenden Radius.
Jeder der Kühlvorsprünge 2 wird von einer Mantelfläche 6 umhüllt. Mit dem Bezugszeichen 7 ist eine Top-Fläche bezeichnet, welche die Mantelfläche 6 begrenzt. Die Top-Fläche 7 verläuft z. B. in einem Winkelbereich von 90° bis 45° gegenüber der jeweiligen Erstreckungsrichtung E1, E2, E3 oder E4.
Wie aus 3 ersichtlich ist, wird die Mantelfläche 6 in einem die Zylinderachse Z senkrecht schneidenden Axialschnitt durch zwei Linien L1 und L2 begrenzt. Dabei ist eine erste Linie L1 einer benachbarten Axialebene A1, A2, A3 oder A4 zugewandt. Die zweite Linie L2 ist der benachbarten Axialebene A1, A2, A3 oder A4 abgewandt.
Jede erste Linie L1 eines Kühlvorsprungs 2 bildet mit der jeweiligen Erstreckungsrichtung E1, E2, E3 oder E4 einen zweiten Winkel β. Der zweite Winkel β beträgt mehr als 0°, insbesondere mehr als 0,3°. Die zweite Linie L2 schneidet sich von der äußeren Umfangsfläche U1 nach außen hin gesehen mit der jeweiligen Erstreckungsrichtung E1, E2, E3 oder E4 nicht.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, weisen die Kühlvorsprünge 2 hinsichtlich der Gestaltung ihrer Mantelfläche 6 eine unterschiedliche Geometrie auf: Kühlvorsprünge 2, welche sich benachbart der jeweiligen Axialebenen A1, A2 befinden, sind asymmetrisch gestaltet, wohingegen Kühlvorsprünge 2, welche sich im Bereich der Axial-Mittelebene W1 befinden, im Wesentlichen symmetrisch oder gleichförmig gestaltet sind.
4 zeigt beispielhaft eine erste perspektivische Ansicht von Kühlvorsprüngen 2 im Bereich der Axial-Mittelebene W1, 5 zeigt beispielhaft in einer zweiten perspektivischen Ansicht Kühlvorsprünge 2 in der Nähe der Axialebene A1.
Wie aus 4 ersichtlich ist, sind im hier gezeigten Ausführungsbeispiel erste Kühlvorsprünge 2a im Bereich der hier gezeigten Axial-Mittelebene W1 im Wesentlichen bezüglich der (hier nicht gezeigten) Erstreckungsrichtung E1 rotationssymmetrisch ausgebildet.
5 zeigt die Ausgestaltung zweiter Kühlvorsprünge 2b in der Nähe der hier gezeigten Axialebene A1. Die zweiten Kühlvorsprünge 2b sind bezüglich der (hier nicht gezeigten) Erstreckungsrichtung nicht-rotationssymmetrisch.
Die Kühlvorsprünge 2, 2a, 2b können in Axialrichtung sich erstreckende erste R1 und zweite Reihen R2 bilden. Die Kühlvorsprünge 2, 2a, 2b einer Reihe R1, R2 sind zweckmäßigerweise identisch gestaltet. In Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende erste R1 und zweite Reihen R2 können zumindest in einem der Segmente S1, S2, S3 oder S4 versetzt zueinander angeordnet sein.
Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, können die Kühlvorsprünge 2, 2a, 2b auch andersartig ausgestaltet sein. Sie können insbesondere prismatisch, pyramidenförmig, halbkugelförmig, ballig, lamellenartig usw. ausgestaltet sein. Ferner kann es auch sein, dass an einer der äußeren Umfangsfläche U1 gegenüberliegenden inneren Umfangsfläche U2 des Grundkörpers 1 radial nach innen vorspringende lamellenartige weitere Kühlvorsprünge vorgesehen sind, welche sich axial erstrecken oder auch nach Art einer Wendel (hier nicht gezeigt) ausgebildet sind.
Der erfindungsgemäße Kühlkörper lässt sich insbesondere mittels Hohlschmieden einfach und kostengünstig aus einem Stück herstellen.
6 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch Werkzeugsegmente WS1, WS2, WS3, WS4 eines Hohlschmiedewerkzeugs, welche im hier gezeigten geschlossenen Zustand eine Matrize für die Kühlvorsprünge 2, 2a, 2b bilden. Jedes der Werkzeugsegmente WS1, WS2, WS3 und WS4 korrespondiert zu einem der beispielsweise in 2 gezeigten Segmente S1, S2, S3 und S4.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers wird ein beispielsweise aus einem Rohrabschnitt gebildetes Halbzeug in einen durch die Werkzeugsegmente WS1, WS2, WS3 und WS4 gebildeten Formraum eingebracht. Sodann wird der Formraum durch hier teilweise nicht gezeigte axial bewegbare Aktivteile bzw. Stempel geschlossen. Einer der Stempel kann zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet sein. Zum Umformen des Halbzeugs wird ein derartiger Stempel in das Halbzeug gedrückt, so dass dessen Material in die durch die Werkzeugsegmente WS1, WS2, WS3 und WS4 gebildete Matrize fließt. Lamellen an einer inneren Umfangsfläche des Grundkörpers 1 können gebildet werden, indem in dem Stempel schlitzartige Ausnehmungen vorgesehen sind. Der Stempel kann auch rotierend bezüglich des Halbzeugs bewegt werden, wodurch lamellenartige Vorsprünge nach Art einer Wendel hergestellt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper
2, 2a, 2b: Kühlvorsprung
3: Steg
4: Flansch
5: Nut
6: Mantelfläche
7: Top-Fläche
S1, S2, S3, S4: Segment
E1, E2, E3, E4: Erstreckungsrichtung
A1, A2, A3, A4: Axialebene
W1, W2, W3, W4: Axial-Mittelebene
L1: erste Linie
L2: zweite Linie
Z: Zylinderachse
α: erster Winkel
β: zweiter Winkel
WS1, WS2, WS3, WS4: Werkzeugsegment
R1: erste Reihe
R2: zweite Reihe
U1: äußere Umfangsfläche
U2: innere Umfangsfläche

Claims

Kühlkörper zur Herstellung eines Ringkühlers, gebildet aus einem rohrartigen Grundkörper (1), an dessen äußerer Umfangsfläche (U1) eine Vielzahl sich nach außen verjüngender Kühlvorsprünge (2, 2a, 2b) angeformt sind.
Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei der Grundköper (1) zylindrisch ausgebildet ist.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mit den Kühlvorsprüngen (2, 2a, 2b) versehene äußere Umfangsfläche (U1) in Umfangsrichtung zumindest drei Segmente (S1, S2, S3, S4) aufweist, welche jeweils durch zwei Flächen begrenzt sind.
Kühlkörper nach Anspruch 3, wobei die beiden Flächen zwei sich entlang der Zylinderachse (Z) schneidende Axialebenen (A1, A2, A3, A4) sind.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Axialebenen (A1, A2, A3, A4) einen ersten Winkel α von höchsten 120° bilden und durch eine Winkelhalbierende der beiden Axialebenen (A1, A2, A3, A4) eine Axial-Mittelebene (W1, W2, W3, W4) verläuft.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sämtliche Kühlvorsprünge (2) eines jeden Segments (S1, S2, S3, S4) sich in einer einzigen Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3, E4) von der äußeren Umfangsfläche (U1) erstrecken.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3, E4) parallel zu einem in der Axial-Mittelebene (W1, W2, W3, W4) liegenden Radius ist.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt einer Mantelfläche (6) eines jeden Kühlvorsprungs (2) mit der Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3, E4) einen zweiten Winkel β von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 0,3°, bildet.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erste Kühlvorsprünge (2a) im Bereich der Winkelhalbierenden rotationssymmetrisch und zweite Kühlvorsprünge (2b) in der Nähe der Axialebenen (A1, A2, A3, A4) nicht-rotationssymmetrisch gestaltet sind.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorsprünge (2, 2a, 2b) in Axialrichtung sich erstreckende Reihen (R1, R2) bilden.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorsprünge (2, 2a, 2b) einer Reihe (R1, R2) identisch gestaltet sind.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorsprünge (2, 2a, 2b) von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Reihen (R1, R2) in zumindest einem der Segmente (S1, S2, S3, S4) versetzt zueinander angeordnet sind.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Umfangsfläche (U1) zwei Segment-Paare aufweist, welche bezüglich einer durch die Zylinderachse (Z) verlaufenden Symmetrieebene spiegelsymmetrisch oder bezüglich der Zylinderachse (Z) rotationssymmetrisch sind.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der äußeren Umfangsfläche (U1) zumindest ein sich in axialer Richtung erstreckender Steg (3) angeformt ist.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer der der äußeren Umfangsfläche gegenüberliegenden inneren Umfangsfläche (U2) lamellenartige Vorsprünge angeformt sind.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lamellenartigen Vorsprünge sich in Axialrichtung erstecken oder nach Art einer Wendel ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch Umformen eines Grundkörpers (1) mittels Hohlschmieden.