DE112007000796T5 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers basierend auf metallischem Schaum - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers basierend auf metallischem Schaum Download PDF

Info

Publication number
DE112007000796T5
DE112007000796T5 DE112007000796T DE112007000796T DE112007000796T5 DE 112007000796 T5 DE112007000796 T5 DE 112007000796T5 DE 112007000796 T DE112007000796 T DE 112007000796T DE 112007000796 T DE112007000796 T DE 112007000796T DE 112007000796 T5 DE112007000796 T5 DE 112007000796T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
aluminum
heat exchanger
housing
fluid
housing part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE112007000796T
Other languages
English (en)
Inventor
Ronald L. Washington Dupree
James J. Peoria Callas
Jeremy S. Dunlap Trethewey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Caterpillar Inc
Original Assignee
Caterpillar Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Caterpillar Inc filed Critical Caterpillar Inc
Publication of DE112007000796T5 publication Critical patent/DE112007000796T5/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0081Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by a single plate-like element ; the conduits for one heat-exchange medium being integrated in one single plate-like element
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/16Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes extruded

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Wärmetauscher (30), der Folgendes aufweist:
ein Gehäuse (33, 34), welches einen ersten Strömungsmitteldurchlass (40) und einen Extrusionskörper (34) mit mindestens einem anderen Strömungsmitteldurchlass (50) darin aufweist; und
einen Metallschaum (32), der konfiguriert ist, um Wärme zwischen Strömungsmitteln im ersten Strömungsmitteldurchlass (40) und dem mindestens einen anderen Strömungsmitteldurchlass (50) des Gehäuses (33, 34) auszutauschen, wobei der Metallschaum (32) in dem ersten Strömungsmitteldurchlass (40) angeordnet ist und mit dem Extrusionskörper (34) über ein thermisch leitendes Befestigungsmaterial verbunden ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Wärmetauscher und Herstellungsverfahren dafür, und sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers basierend auf metallischem Schaum zur Anwendung als ein Ölkühler in einem Verbrennungsmotorsystem.
  • Hintergrund
  • Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Anwendungen in modernen Motorsystemen verwendet. Verbrennungsmotorkühler, Turbolader-Zwischenkühler und Abgasnachkühler sind Beispiele von Wärmetauschern. Zusätzlich können Wärmetauscher verwendet werden, um die Temperatur des Motoröls, des Getriebeströmungsmittels und auch von Luft zu steuern, die zum Motor geliefert wird, oder sie können bei der Temperatursteuerung einer Bedienerkabine in einer Arbeitsmaschine verwendet werden.
  • Viele Arbeitsmaschinen, die beispielsweise Geländearbeitsmaschinen und Straßenlastwägen mit einschließen, verwenden eine Vielzahl von unterschiedlichen Wärmetauschern, die mit ihren jeweiligen Motorsystemen gekoppelt sind. Gewisse Wärmetauscher, wie beispielsweise Ölkühler, sind üblicherweise mit dem Motorkühlströmungsmittelzirkulationssystem gekoppelt, welches letztendlich Kühlströmungsmittel durch den Hauptmotorkühler zirkuliert. Wärme vom Motoröl kann dadurch in die äußere Umgebung abgeleitet werden. In anderen Systemen kann der Wärmetauscher eine alleinstehende Vorrichtung unabhängig vom Hauptmotorkühler sein, und kann ein anderes Kühlströmungsmittel verwenden als beispielsweise Luft. Während viele dieser Wärmetauscher Lebensfunktionen des Motorsystems unterstützen, können Wärmetauschereinheiten und ihre dazugehörigen Verrohrungssysteme beträchtliches Gewicht und einen komplexen Aufbau zur Arbeitsmaschine hinzubringen. Wie in vielen technischen Bereichen gibt es oft die Motivati on, die Größe, das Gewicht und die Komplexität von Komponenten zu verringern; Ingenieure versuchen somit kontinuierlich, solche Überlegungen anzusprechen, jedoch ohne Leistung zu opfern.
  • Mittel, durch welche Konstrukteure versucht haben, die Größe und die Komplexität von Wärmetauschern zu verringern, sind die Entwicklung von effizienteren Wärmetauschersystemen mit vergleichsweise großen Wärmeaustauschoberflächen pro Volumeneinheit und/oder Masse. Wärmetauscher mit höherer Effizienz können vergleichsweise kleinere Räume in einem Motorraum einnehmen und sie können weniger wiegen als herkömmliche Konstruktionen. Neuere und weiter fortschreitende Veränderungen der Rechtssprechung bezüglich Motoremissionen und Betriebsanforderungen haben auch die Ingenieure dazu veranlasst, nach verbesserten Wegen für ein Management der Wärme in Verbrennungsmotorsystemen zu suchen, ohne Gewicht, Größe oder komplexen Aufbau hinzu zu bringen. Weil gewisse Betriebsstrategien für verringerte Emissionen erfordern, dass mehr Wärme vom Motor abgegeben wird, als traditionell erforderlich ist, sind Konstrukteure insbesondere noch weiter dazu motiviert worden, die Effizienz zu verbessern.
  • Eine bekannte Bauart eines Wärmetauschers, die gewöhnlicherweise in Motorsystemen verwendet wird, ist in der Technik als ein Stangen-Platten- bzw. Rohr-Platten-Wärmetauscher bekannt. Ein typischer Rohr-Platten-Wärmetauscher, wie er beispielsweise als ein luftgekühlter Wärmetauscher in einem Motor verwendet werden könnte, weist einen Kern auf, der aus einem ersten Satz von Strömungsmitteldurchlässen für ein erstes Strömungsmittel besteht, die in abwechselnder Anordnung mit einem weiteren Satz von Durchlässen für ein zweites Strömungsmittel positioniert sind. In einer bekannten Konstruktion tauscht Luft, die durch einen Satz von Luftdurchlässen geleitet wird, Wärme mit Motorkühlströmungsmittel aus, welches durch den anderen Satz von Strömungsmitteldurchlässen zirkuliert wird. Metallfinnen sind in den jeweiligen Durchlässen angeordnet, um eine Wärmeübertragungsoberfläche vorzusehen. Eine Vielzahl von Stangen bzw. Rohren und Platten ist miteinander verbunden, um Wände zur Isolation der jeweiligen Strömungsmittelkanäle vorzusehen, und auch um einen Gesamtstruktur für den Wärmetauscherkern vorzusehen. In einigen Varianten der grundlegenden Stan gen-Platten-Konstruktion wird ein gewickeltes, gewebtes Metallgewebe anstelle der Finnen verwendet.
  • Während Stangen-Platten-Wärmetauscher eine lange und erfolgreiche Vergangenheit in der Technik der Verbrennungsmotoren genossen haben, gibt es Einschränkungen bei bekannten Konstruktionen, die nun immer mehr im Lichte der neuen Herausforderungen offensichtlich werden, denen Wärmetauscherkonstrukteure gegenüberstehen. Weil ein Faktor, der den Wärmetauscherwirkungsgrad beeinflusst, sich auf die verfügbare Wärmeaustauschoberfläche bezieht, tendieren beispielsweise Verbesserungen bei der Leistung eines Stangen-Platten-Wärmetauschers dazu, entweder einen insgesamt größeren Wärmetauscher oder ein größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erfordern. Die Zunahme der Wärmetauschergröße ist oft keine durchführbare Option, da dies Gewicht zum Gesamtsystem hinzubringen kann, und weil räumliche Einschränkungen und Packungseinschränkungen die Wärmetauschergröße beschränken können. Das Vergrößern des Verhältnisses der Wärmeaustauschoberfläche zum Volumen erfordert typischerweise eine engere Packung der Wärmetauscherfinnen bezüglich der jeweiligen Strömungsmitteldurchlässe. Während das Vergrößern der Dichte der Finnen bis zu einem gewissen Punkt funktioniert, können zusätzlich Finnen die verfügbare Flussrate oder den Druck für Strömungsmittel durch den Wärmetauscher bis zu einem Punkt verringern, dass ein inakzeptabler Strömungsmitteldruckabfall am Wärmetauscher auftritt.
  • Gewisse spezifische Wärmetauscheranwendungen haben ihre eigene Zusammenstellung von Herausforderungen. Eine Art von Wärmetauscher, die insbesondere bei an Motoren montierten Öl-Wasser-Wärmetauschern verwendet wird, ist in der Technik als ein Hüllen-Rohr-Wärmetauscher bekannt. Bei einer herkömmlichen Hüllen-Rohr-Konstruktion wird Wasser oder Motorkühlmittel durch ein Gehäuse über ein oder mehrere Rohre geleitet. Das Gehäuse, welches die „Hülle" aufweist, ist um die Rohre herum positioniert und sieht einen weiteren Durchlass vor, durch welchen Öl, wie beispielsweise Motoröl, so geleitet werden kann, dass Wärme zwischen den zwei Strömungsmitteln ausgetauscht werden kann. Während solche Konstruktionen bis jetzt eine praktische Strategie für die Ölkühlung dargestellt haben, bleibt Raum zur Verbesserung sowohl bezüglich der Größe als auch der Komplexität bei der Herstellung als auch des Betriebswirkungsgrades. Die Suche nach Verbesserungen für traditionelle Konstruktionen, wie beispielsweise Stangen-Platten- und Hüllen-Rohr-Konfigurationen hat sich in letzter Zeit auf die Anwendung von gewissen unkonventionellen und exotischen Wärmeaustauschmaterialien konzentriert.
  • Ein Beispiel der Anwendung von nicht traditionell verwendeten Materialien für einen Wärmetauscher, insbesondere für einen Wärmetauscher für eine Art Wärmepumpe, die als thermoakustische Wandlervorrichtung bekannt ist, ist aus der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2004/0226702 von Tonnen u. a. (Tonnen) bekannt. Tonnen beschäftigt sich mit einem Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme von einem ersten Strömungsmittel auf ein anderes Strömungsmittel. Insbesondere bespricht die Offenbarung die Übertragung von Wärme von Wasser auf Luft, wobei die Luft durch einen Flusskörper geleitet wird, der einen Kupferschaum aufweist, der um eine Vielzahl von kleinen wasserführenden Rohren aus Kupfer positioniert ist. Der Kupferschaum hat einen Gradienten, um eine erwünschte Balance einer Wärmeübertragung zwischen den Strömungsmitteln im Vergleich zum Flusswiderstand vorzusehen. Während Tonnen eine Konstruktion offenbart, die angeblich für gewisse Anwendungen geeignet ist, insbesondere für eine vergleichsweise klein bemessene Wärmetauscheranwendung, wie beispielsweise eine thermoakustische Wandlervorrichtung, hat die Konstruktion eine Anzahl von Einschränkungen.
  • Beispielsweise ist bei einigen der Konstruktionen von Tonnen eine maschinelle Bearbeitung des Schaums erforderlich, um ihm eine erwünschte Form zu geben, was Ausnehmungen im Schaum zur Aufnahme der wasserleitenden Kupferrohre aufweist. Die maschinelle Bearbeitung von relativ komplexen Merkmalen steigert unvermeidlicherweise die Produktionszeit und den Produktionsaufwand. Weiterhin erfordert die veranschaulichte Konfiguration, bei der Rohre voneinander innerhalb des Schaums beabstandet sind, dass zahlreiche einzelne Teile getrennt während der Montage positioniert werden. Zusätzlich würden die beabstandeten Wasserleitenden Rohre wenig strukturelle Integrität, falls überhaupt, für die Wärmetauscher vorrichtung mit sich bringen. Währens die strukturelle Integrität eines Wärmetauschers und die Gesamtfestigkeit bei einer thermoakustischen Wärmepumpe von relativ geringer Wichtigkeit sein könnten, kann die Konfiguration von Tonnen weniger gut anwendbar sein, wo Steifigkeit und Festigkeit des Wärmetauschers wichtig sind. Tonnen offenbart weiter eine Wärmetauscherstruktur mit rechteckigen Flussdurchlässen, die sich mit rechteckigen Schaumflusskörpern abwechseln. Obwohl Tonnen sich darüber ausschweigt, wie die rechteckigen Flussdurchlässe hergestellt werden, könnte die Konfiguration theoretisch in gewisser Weise etwas steifer sein als die Konstruktion, die beabstandete Rohre in dem Schaum hat. Jedoch bietet Tonnen wenig Details dahingehend an, wie die rechteckige Struktur strömungsmittelmäßig abgedichtet, aufgehängt, aufgenommen usw. ist. Somit würde es erscheinen, dass die einzelnen Flussdurchlässe und der Schaum getrennt von der Verbindung der Gesamtstruktur mit irgendeiner Art eines Gehäuses verbunden werden würden, was unerwünschte Komplexität zum Herstellungsprozess hinzubringt.
  • Die Offenbarung ist auf eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme oder Nachteile gerichtet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung einen Wärmetauscher vor, der ein Gehäuse mit einem ersten Strömungsmitteldurchlass und einen Extrusionskörper mit mindestens einem weiteren Strömungsmitteldurchlass darin hat. Der Wärmetauscher weist weiter einen Metallschaum auf, der konfiguriert ist, um Wärme zwischen Strömungsmitteln in dem ersten und dem mindestens einen anderen Strömungsmitteldurchlass des Gehäuses auszutauschen. Der Metallschaum ist innerhalb des ersten Strömungsmitteldurchlasses angeordnet und mit dem Extrusionskörper über ein thermisch leitendes Befestigungsmaterial verbunden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines auf einem Metallschaum basierenden Wärmetauschers vor.
  • Das Verfahren weist den Schritt auf, eine Vielzahl von Gehäusepaneelen um einen Metallschaum herum zu positionieren, wobei die Gehäusepaneele einen ersten Gehäuseteil aufweisen. Das Verfahren weist weiter den Schritt auf, thermisch den Schaum mit einem zweiten Gehäuseteil zu koppeln, der einen Extrusionskörper aufweist, in dem mindestens ein Strömungsmitteldurchlass ist, und zwar zumindest teilweise über ein wärmeleitendes Befestigungsmaterial. Das Verfahren weist noch weiterhin den Schritt auf, den ersten Gehäuseteil mit dem zweiten Gehäuseteil zumindest teilweise über einen Schritt der Aufheizung der ersten und zweiten Gehäuseteile miteinander in einem (Hart-)Lötofen zu verbinden.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Kühlung von Öl in einem Verbrennungsmotorsystem vor, welches den Schritt aufweist, Öl mit hoher Temperatur durch einen Aluminiumschaum zu leiten, der in einem ersten Strömungsmitteldurchlass in einem ersten Gehäuseteil eines Wärmetauschers angeordnet ist. Das Verfahren weist weiter die Schritte auf, Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch mindestens einen anderen Strömungsmitteldurchlass in einem zweiten Gehäuseteil des Wärmetauschers zu leiten und Wärme zwischen dem Öl mit hoher Temperatur und dem Strömungsmittel mit niedriger Temperatur zumindest teilweise über ein thermisch leitendes Material auszutauschen, welches den Aluminiumschaum mit dem zweiten Gehäuseteil verbindet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Motorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht eines auf Aluminiumschaum basierenden Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
  • 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einigen der Komponenten des Wärmetauschers der 2
  • Detaillierte Beschreibung
  • Mit Bezug auf 1 ist dort ein Motorsystem 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Motorsystem 10 weist einen Motor 12 auf, wie beispielsweise einen Verbrennungsmotor, der eine Vielzahl von Zylindern 13 hat. Der Motor 12 kann beispielsweise einen verdichtungsgezündeten Motor oder einen mit Zündkerzen gezündeten Motor oder irgendeine anderere Motorbauart aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass das Motorsystem 10 in einer mobilen Arbeitsmaschine montiert sein kann, wie beispielsweise in einer Geländearbeitsmaschine, oder das es ein alleinstehendes Motorsystem sein könnte, wie beispielsweise die Bauart, die bei der Erzeugung von elektrischer Leistung verwendet wird, oder noch einen andere Bauart eines Motorsystems. Eine Ölleitung 14 ist mit dem Motor 12 verbunden und ist konfiguriert, um Motorkühlöl in herkömmlicher Weise zu zirkulieren. Das Motorsystem 10 weist weiter einen Radiator bzw. Kühler 18 auf, der mit einer Motorkühlmittelleitung 16 gekoppelt ist. Pfeile A veranschaulichen eine Richtung des Motorölflusses, während Pfeile B einen Fluss von Motorkühlmittel in einer Richtung entgegengesetzt zum Ölfluss anzeigen. In anderen Ausführungsbeispielen könnten Kühlmittel und Öl in der gleichen Richtung, in senkrechter Richtung usw. fließen.
  • Ein Wärmetauscher 30 ist mit jeder der Leitungen 14 und 16 gekoppelt und ist konfiguriert, um Wärme zwischen den darin fließenden Strömungsmitteln auszutauschen. Der Wärmetauscher 30 kann mit einer ersten Sammelleitung 20 und einer zweiten Sammelleitung 22 gekoppelt sein. Die erste Sammelleitung 20 kann einen Öleinlass 24 aufweisen, während die zweite Sammelleitungsanordnung 22 einen Ölauslass 26 aufweisen kann. Die Sammelleitungsanordnungen 20 und 22 können konfiguriert sein, um Öl und Kühlmittel unter einer Vielzahl von getrennten strömungsmittelmäßig isolierten Durchlässen in dem Wärmetauscher 30 zu verteilen, um den Austausch von Wärme zwischen den zwei Strömungsmitteln zu gestatten. In dem Ausführungsbeispiel der 1 kann der Wärmetauscher 30 somit als ein Ölkühler wirken, was gestattet, dass Wärme vom Motoröl oder einem anderen Öl auf das Motorkühlmittel übertragen wird, und von dort an die Luft über den Kühler 18. Andere Anwendungen für den Wärmetauscher 30 als zur Kühlung von Motoröl werden in Betracht gezogen, wie hier beschrieben.
  • Der Wärmetauscher 30 kann weiter eine Vielzahl von ersten Gehäuseteilen 33 und eine Vielzahl von zweiten Gehäuseteilen 34 aufweisen, die in einer abwechselnden gestapelten Konfiguration positioniert sind. Jeder Satz eines ersten und eines zweiten Gehäuseteils weist eine Wärmetauscherunteranordnung auf, wobei eine Vielzahl von Wärmetauscherunteranordnungen somit stapelbar ist, um einen Wärmetauscher mit erwünschter Größe, erwünschtem Gewicht und erwünschter Wärmeaustauschfähigkeit vorzusehen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Anzahl von Unteranordnungen, die miteinander verbunden ist, die Gesamtzahl der Strömungsmitteldurchlässe bestimmen kann und somit die spezielle Konfiguration der jeweiligen Sammelleitungen vorgeben kann, die verwendet werden, um Strömungsmittel in dem Wärmetauscher zuzuteilen. Jeder der Gehäuseteile wird zumindest einen Strömungsmitteldurchlass darin aufweisen. Die ersten Gehäuseteile 33 können daher einen ersten Strömungsmitteldurchlass 40 aufweisen, der im Fall eines Ölkühlerausführungsbeispiels ein Öldurchlass sein kann. Zumindest ein Motorkühlströmungsmitteldurchlass 50 kann in jedem der zweiten Gehäuseteile 34 angeordnet sein, sodass Wärme zwischen dem Öl, welches durch jeden Öldurchlass 40 fließt, und dem Kühlströmungsmittel ausgetauscht werden kann, welches durch jeden Kühlströmungsmitteldurchlass 50 fließt.
  • Wie hier beschrieben, kann die Anzahl der abwechselnd gestapelten Gehäuseteile und daher der Wärmetauscherunteranordnungen abhängig von der Anordnung variiert werden. Jede Unteranordnung wird typischerweise mindestens einen Gehäuseteil mit einem oder mehreren Öldurchlässen aufweisen, und mindestens einen Gehäuseteil, der einen oder mehrere Kühlströmungsmitteldurchlässe hat. Es wird in Betracht gezogen, dass ein einziger Öldurchlass 40 in dem Gehäuseteil (in den Gehäuseteilen) 33 eine praktische Strategie bzw. Möglichkeit des Aufbaus vorsehen wird, wie hier beschrieben, dass jedoch mehrere Öldurchlässe jeweils für jeden ersten Gehäuseteil 33 verwendet werden könnten, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Ein Metallschaum, beispielsweise ein Aluminiumschaumblock 32 mit offenen Zellen wird in mindestens einem der Durchlässe 40 und 50 angeordnet. Es wird in Betracht gezogen, dass ein einheitlicher Schaumblock, der zu einer vorbestimmten Größe und Form aus einem größeren ursprünglichen Block geschnitten wurde, in jedem Öldurchlass 40 positioniert sein wird, jedoch nicht innerhalb der Kühlmitteldurchlässe 50. Aluminiumschaum könnte jedoch sowohl in den Motorkühlmitteldurchlässen als auch in den Motoröldurchlässen verwendet werden, oder bei gewissen Anwendungen nur in den Motorkühlmitteldurchlässen. In anderen Ausführungsbeispielen können alternative Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Kupfer, rostfreier Stahl und andere Metalle oder Legierungen. Die Anzahl der Poren pro Quadratinch des Metallschaums können variieren, und zwar abhängig von den erwünschten Charakteristiken des Wärmetauschers, beispielsweise abhängig vom Druckabfall zwischen dem Strömungsmitteleinlass und dem Strömungsmittelauslass. In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Poren pro Quadratinch innerhalb eines individuellen Schaumblocks variiert werden, um einen Gradienten einzurichten. Zusätzlich kann die „offensichtliche Dichte" des Schaums in unterschiedlichen Wärmetauschern variieren, genauso wie in einem individuellen Schaumblock. Die offensichtliche Dichte kann als das Verhältnis des Volumens, welches von dem Metall in dem Schaum eingenommen wird, zu dem gesamten Volumen verstanden werden, welches von dem Schaum eingenommen wird, oder einem definierten Teil davon. Diese Faktoren können variiert werden, um einen speziellen Schaumblock „einzustellen", um spezielle betriebliche Charakteristiken vorzusehen, und zwar zu Zwecken, die dem Fachmann offensichtlich sein werden.
  • Mit Bezug auf 2 ist dort perspektivisch ein zusammengebauter Ölkühler/Wärmetauscher 30 ähnlich jenem gezeigt, der in 1 gezeigt ist. Jeder der Gehäuseteile 33 und 34 kann in der veranschaulichten abwechselnden gestapelten Konfiguration positioniert sein, sodass ein Öldurchlass 40 in jedem der ersten Gehäuseteile 33 sich mit einer Vielzahl von Motorkühlströmungsmitteldurchlässen 50 abwechselt, die sich in jedem der zweiten Gehäuseteile 34 erstrecken. Somit weist das Ausführungsbeispiel der 2 zwei Wärmetauscherunteranordnungen auf, die zusammengestapelt sind, wobei jede aus ersten und zweiten Gehäusetei len besteht. Obwohl die jeweiligen Durchlässe für Öl und Motorkühlströmungsmittel und die jeweiligen Zirkulationsrichtungen so sein können, dass ein Motorkühlmittelfluss und ein Ölfluss ungefähr in umgekehrter Richtung im Wärmetauscher 30 sind, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf eine solche Konfiguration eingeschränkt. Beispielsweise könnten ein oder mehrere Öldurchlässe so orientiert sein, dass Öl in einem quer gerichteten Fluss zum Motorkühlströmungsmittel fließt, oder auch in der gleichen Richtung, und zwar ohne vom beabsichtigten Kern und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Mit Bezug auf 3 ist dort eine perspektivische Explosionsansicht einer Wärmetauscherunteranordnung gezeigt, wie sie in dem Wärmetauscher 30 der 2 vorgesehen ist. Wie veranschaulicht, kann der Gehäuseteil 33 eine Vielzahl von Gehäusepaneelen aufweisen, die ein erstes Paneel 33a und ein zweites Paneel 33b aufweisen. Jedes der ersten und zweiten Paneele kann aus einer Metallplatte bestehen, wie beispielsweise aus einer Aluminiumplatte, wobei die spezielle rechtwinklige Konfiguration des ersten Teils 33a durch Biegen eines vergleichsweise größeren Stückes oder durch Verbinden/Positionieren einer Vielzahl von kleineren Paneelen aneinander in der erwünschten Konfiguration geformt wird, oder durch irgendeinen anderen Vorgang. Jedes der ersten und zweiten Paneele 33a und 33b kann mit dem zweiten Gehäuseteil 34 durch Hartlöten oder durch irgendeinen anderen geeigneten hier beschriebenen Prozess verbunden werden. In der in 3 gezeigten Konfiguration können die Paneele 33a und 33b im Allgemeinen senkrecht zu einer ebenen Außenfläche 36 des zweiten Gehäuseteils 34 orientiert sein und damit benachbart zu den Umfangskanten 54 verbunden sein. Der zweite Gehäuseteil 34 kann eine andere ebene Außenfläche gegenüberliegend zur Oberfläche 36 aufweisen, obwohl dies in 3 aufgrund der ausgewählten Ansicht nicht gezeigt ist.
  • Der zweite Gehäuseteil 34 kann einen Extrusionskörper aufweisen. Der Extrusionskörper kann beispielsweise ein relativ dünner rechteckiger Metallextrusionskörper mit mehreren Anschlüssen bzw. mehreren Durchlässen sein, der aus einem einzigen Metallstück geformt ist, wie beispielsweise aus Aluminium, und der eine ebene vordere Fläche 36 und eine hintere Fläche hat. Alternativ könnte der Extrusionskörper eine Vielzahl von individuell extrudierten Rohren aufweisen, die benachbart angeordnet sind. Im Fall eines metallischen Extrusionskörpers mit mehreren Anschlüssen kann jeder der Vielzahl von Strömungsmitteldurchlässen 50 von einander durch Versteifungen 52 getrennt sein, die während des Extrudierens des Gehäuseteils 34 (im Folgenden „Extrusionskörper 34") geformt werden. Die Versteifungen 52 können längs verlaufende Rippen innerhalb des jeweiligen Extrusionskörpers aufweisen, die die einzelnen Durchlässe 50 trennen und strömungsmittelmäßig isolieren, und die senkrecht zur vorderen Fläche 36 und der hinteren Fläche des Extrusionskörpers 34 orientiert sind. Somit kann jeder Strömungsmitteldurchlass von benachbarten Strömungsmitteldurchlässen durch eine oder mehrere längs verlaufende Versteifungen getrennt sein. Wo einzeln extrudierte Rohre Seite an Seite gekoppelt verwendet werden, können die benachbarten Wände von jedem der Rohre als „Versteifungen" für den Extrusionskörper 34 dienen.
  • Auf jeden Fall wird der Extrusionskörper 34 typischerweise einen Strukturträger für den Wärmetauscher 30 aufweisen, wobei die Versteifungselemente 52 nicht nur den Extrusionskörper 34 sondern auch den Wärmetauscher 30 selbst versteifen. Die Versteifungen 52 können auch eine Wärmeaustauschoberfläche zwischen benachbarten Durchlässen vorsehen, und eine Wärmeaustauchoberfläche für den Austausch von Wärme zwischen den getrennten Strömungsmitteln. Extrusionskörper mit einer Vielzahl von strukturellen Eigenschaften und Materialeigenschaften sind leicht aus kommerziellen Quellen erhältlich, die dem Fachmann bekannt sind, wie beispielsweise Brazeway aus Adrian, Michigan. In alternativen Konstruktionen kann ein gegossener oder (spanend) bearbeiteter zweiter Gehäuseteil anstatt eines extrudierten Gehäuseteils verwendet werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die jeweiligen Teile/Paneele des ersten Gehäuseteils 33 mit der Oberseite 36 des Extrusionskörpers 34 entlang dessen Umfangskanten 54 verbunden sein kann, und zwar durch eine Lötprozess, wie hier beschrieben, oder durch einen anderen geeigneten Prozess. Jeder Extrusionskörper 34 kann somit eine Wand des Durchlasses 40, wie im Ausführungsbeispiel der 2, und Gehäusepaneele 33a und 33b aufweisen, die in Kombination damit den ersten Strömungsmitteldurchlass 40 definieren.
  • 3 veranschaulicht auch perspektivisch einen Metallschaumblock 32, beispielsweise einen Aluminiumschaumblock, der in dem Öldurchlass 40 positioniert sein kann. Leitmittel bzw. Flügel, die beispielsweise positioniert sind, um sich senkrecht in einer Richtung des Strömungsmittelflusses im Öldurchlass 40 zu erstrecken, können auch aus Gründen vorgesehen sein, die dem Fachmann für die Technik von Wärmetauschern bekannt sind. In anderen Fällen kann jedoch das Vorsehen von Leitmitteln eingeschränkt oder ohne Vorteil sein, wo ein übermäßiger Druckabfall auftreten würde. Der Aluminiumschaumblock 32 wird eine relativ große sekundäre Wärmeübertragungsfläche zum Austausch von Wärme zwischen dem Öl im Durchlass 40 und dem Motorkühlmittel oder einem anderen Strömungsmittel in den Durchlässen 50 vorsehen. Zusätzlich tendiert die Anwendung eines Schaums dazu, einen turbulenten Fluss zu begünstigen, eine Charakteristik, die im Allgemeinen beim Wärmetauscherbetrieb wünschenswert ist. Der Block 32 kann erste und zweite verjüngte Kanten 38 aufweisen, um einen Ölfluss in den Durchlass 40 hinein und aus diesem heraus zu erleichtern. Blöcke aus Aluminiumschaum sind im Allgemeinen kommerziell erhältlich von Light Weight Solutions, Inc., Newark, Delaware. Andere Metallschäume sind leicht aus einer Vielzahl von kommerziellen Quellen erhältlich. In einer praktischen Einrichtungsstrategie wird der Block 32 in den Wärmetauscher 30 durch Druck eingesetzt oder eingepresst, um die mechanische und thermische Koppelung zwischen dem Block 32 und den anderen Komponenten zu verbessern. Das Einpressen oder die Druckeinpassung des Aluminiumschaumblockes 32 kann aufweisen, das Volumen des Schaumblockes um bis zu 10% zu verringern, beispielsweise zwischen den benachbarten Extrusionskörpern 34. Das Einpressen des Aluminiumschaumblocks 32 zwischen den Extrusionskörpern 34 kann somit mehr Kontaktoberfläche zwischen dem Aluminiumschaum und den ebenen Oberflächen 36 vorsehen, als alleine durch Anordnen des Blockes 32 in Kontakt damit verfügbar wäre. Zusätzliche und/oder alternative Mittel zur Vergrößerung der verfügbaren Anbringungsoberfläche weisen das maschinelle Bearbeiten, beispielsweise das Schleifen, der Schaumanlagestirnseiten oder -oberflächen auf, im Endeffekt, das "Verschmieren" des Materials oder das Formen des Metallschaums mit einer äußeren Haut, die geschlossene Zellen hat oder keine Zellen hat, dort wo sie mit den anderen Komponenten des Wärmetauschers verbunden sind. In einem in Betracht gezogenen Ausführungsbeispiel, das hier beschrieben wird, wird der Austausch von Wärme zwischen den Strömungsmitteln in den jeweiligen Durchlässen über ein thermisch leitendes Befestigungsmaterial stattfinden, welches den Aluminiumschaumblock 32 mit den Extrusionskörpern 34 verbindet. Der Herstellungs/Montageprozess für den Wärmetauscher 30, der hier beschrieben wird, wird gestatten, dass das ausgewählte thermisch leitende Befestigungsmaterial im Wesentlichen über die gesamte Kontaktfläche zwischen dem Aluminiumschaumblock 32 und den Extrusionskörpern 34 verteilt wird. Anders gesagt, in gewissen Ausführungsbeispielen kann die gesamte Anlagefläche von jedem Aluminiumschaumblock auf der jeweiligen Oberfläche von benachbarten Extrusionskörpern als eine Zone zur thermischen Koppelung des Schaumblockes mit dem Extrusionskörper über das thermisch leitende Befestigungsmaterial dienen.
  • Das thermisch leitende Befestigungsmaterial kann ein (Hart-)Lötfüller sein, beispielsweise ein aluminiumbasierter Lötfüller, der die jeweiligen Gehäuseteile 33, 34 und den Aluminiumschaumblock 32 miteinander verbindet und diese thermisch koppelt. Die vorliegende Offenbarung zieht auch die Anwendung eines Aluminiumschaumblocks mit einer vergleichsweise höheren Porendichte in Regionen in Betracht, die mit anderen Wärmetauscherkomponenten verbunden sind, und mit einer vergleichsweise geringeren Porendichte in anderen Regionen. Eine solche Konstruktion sieht eine vergleichsweise höhere Oberfläche zur Verbindung des Schaums durch die größere Dichte der Schaumverbindungen vor, ohne übermäßig den Strömungsmittelfluss in anderen Regionen zu behindern. Während in Betracht gezogen wird, dass die beschriebenen Aluminiumschaumblöcke, die aus größeren ursprünglichen Blöcken ausgeschnitten sind, eine praktische Strategie zur Einrichtung bieten, ist die vorliegende Offenbarung nicht dadurch eingeschränkt. Anstelle eines einheitlichen Schaumblockes könnten beispielsweise mehrere Blöcke oder auch zahlreiche Metallschaumstücke in dem Wärmetauscher 30 positioniert sein. Wie oben erwähnt, können Leitmittel zwischen den Schaumstücken oder in den Schaumstücken vorgesehen sein, um dabei zu helfen, den Strömungsmittelfluss zu leiten und die Turbulenz zu steigern.
  • Der Wärmetauscher 30 kann durch ein Verfahren hergestellt werden, durch welches die verschiedenen Komponenten miteinander über ein Lötverfahren verbunden werden. Ein geeignetes Lötverfahren für eine spezielle Zusammenstellung von Materialien ist in der Technik als Nocolok-Löten bekannt, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht dadurch eingeschränkt ist. Eine spezielle Herstellungsstrategie, wenn Aluminium verwendet wird, kann aufweisen, die Gehäusepaneele 33a und 33b um den Aluminiumschaumblock 32 zu positionieren. Der Aluminiumschaumblock 32 kann dann thermisch mit dem Extrusionskörper 34 über ein Wärme leitendes Befestigungsmaterial gekoppelt werden, wie beispielsweise mit einem (Hart-)Lötmaterial oder einem geeigneten thermisch leitenden Klebemittel. Wie hier beschrieben, können die Gehäuseteile 33 und 34, die miteinander gekoppelt sind, als eine Wärmetauscherunteranordnung angesehen werden. Wo ein Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Unteranordnungen herzustellen ist, können zusätzliche Schaumblöcke, Gehäusepaneele und Extrusionskörper hinzugefügt werden, wie benötigt. Der gesamte Satz von Unteranordnungen kann geklemmt oder in anderer Weise temporär in der gewünschten Konfiguration aneinander befestigt werden. Eine Befestigung des Blocks 32 durch Druck kann stattfinden, wenn die Unteranordnungen montiert werden oder davor. Bevor oder nachdem jede der Wärmetauscherkomponenten in der erwünschten Konfiguration angeordnet ist, kann ein Lötflussmaterial und ein Lötfüller auf jede der Flächen des Wärmetauschers aufgebracht werden. Das Löftflussmaterial und der Lötfüller können an der gesamten Anordnung aufgebracht werden, oder an den einzelnen Teilen in Zonen, wo sie zu befestigen sind, und zwar durch irgendein geeignetes Verfahren, wie beispielsweise Tauchen, Sprühen, Fluten usw. Eine Vielzahl von geeigneten (Hart-)Lötpasten ist auch kommerziell erhältlich und kann geeignet sein, wenn gesteigerte Viskosität der Paste im Vergleich zu einem flüssigen Material wünschenswert ist. Eine relativ dicke streichbare Paste kann für vergrößerte Tiefe oder Dicke des Füllermaterials beispielsweise zwischen den Teilen des zu verbindenden Wärmetauschers verwendet werden.
  • Ein geeignetes Lötflussmaterial weist Kaliumfluoraluminatsalz (KF:AlF3) auf, welches durch Tauchen, Sprühen, Fluten usw. als eine wässrige Schlämmung mit einer Konzentration von beispielsweise 5% bis 25% aufgebracht werden kann. Der Fachmann wird erkennen, dass die Eignung eines ausgewählten Lötflussmaterials zumindest teilweise von der Zusammensetzung und den Eigenschaften des Aluminiumschaumblockes 32 und des Extrusionskörpers 34 abhängen wird. Für Anwendungen mit vergleichsweise niedrigerer Temperatur, beispielsweise ungefähr 580°C, können Caesium basierte Flussmaterialien und andere verwendet werden. Im Allgemeinen ist extrudiertes Aluminium bis jetzt in einer größeren Vielzahl von Zusammensetzungen und Eigenschaften verfügbar gewesen als geeignete Aluminiumschäume. Somit kann die Auswahl eines geeigneten Lötflussmaterials und/oder Füllermaterials mehr auf dem speziellen Aluminiumschaum basieren als auf dem Aluminiumextrusionskörper, da die Extrusionskörper im Allgemeinen vom Kunden angepasst bestellt werden können, sodass sie Eigenschaften haben, die in geeigneter Weise für ein gegebenes Flussmittel und einen Füller geeignet sind. Ein geeignetes (Hart-)Lötfüllermaterial kann auch eine aluminiumbasierte Zusammensetzung sein, wie beispielsweise eine aluminium-silizium-basierte Zusammensetzung, wobei zahlreiche davon leicht kommerziell verfügbar sind. Alternative Füllermaterialien können zinkbasiert sein. In Ausführungsbeispielen, wo andere Materialien als Aluminium verwendet werden, können unterschiedliche Füller- und Flussmaterialien ausgewählt werden.
  • Sobald die zusammengebauten Komponenten aneinander befestigt sind und geeignete Lötfüller- und Lötflussmaterialien aufgebracht sind, kann die gesamte Anordnung in einem (Hart-)Lötofen angeordnet werden. Im Lötofen kann die Anordnung auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die ausreicht, um den Aluminiumschaumblock mit dem Extrusionskörper 34 über den Lötfüller zu verbinden. Jeder der anderen Gehäuseteile kann auch miteinander über den Lötfüller verbunden werden, genauso wie mit dem Aluminiumschaum verbunden werden. Die ausgewählte Temperatur wird typischerweise ausreichend sein, um die beschriebene(n) Verbindung(en) über den Lötfüller zu erreichen, ohne dass das Aluminium, aus dem die Gehäuseteile gemacht sind, zu schmelzen oder wesentlich anzuschmelzen. Eine ordnungsgemäße Auswahl der Gehäuse- und Schaummaterialien und die Anwendung von ähnlichen Metallen oder Legierungen, wie beispielsweise Aluminium, für alle Komponenten, wird gestatten, dass alle oder nahezu alle erwünschten Verbindungen, egal ob strukturelle oder sonstige, während eines einzi gen Lötprozesses vorgenommen werden, ähnlich wie bei gewissen bekannten Strategien zur Herstellung von Stangen-Platten-Wärmetauschern. Die (Hart-)Löttemperatur kann in gewissen Ausführungsbeispielen größer als ungefähr 425°C sein und kann weiterhin im Bereich von ungefähr 570°C bis ungefähr 630°C sein, und zwar abhängig von dem ausgewählten Lötfüller und der Zusammensetzung der Schaum- und Gehäuseteile.
  • Das Ofenlöten der Anordnung kann entweder kontinuierlich oder in Stapelverarbeitung geschehen und kann einen anfänglichen Trocknungsschritt bei ungefähr 200°C für ungefähr zwei Minuten aufweisen. Folgend auf die Trocknung kann die Anordnung über einen Heizschritt behandelt werden, bei dem die Temperatur auf ein Maximum (ungefähr 570°C bis ungefähr 630°C) in ungefähr 10 Minuten gesteigert wird. Sobald die maximale Temperatur erreicht ist, kann die Anordnung einer Lötstufe unterworfen werden, wo die Lötofentemperatur auf dem Maximum für ungefähr drei Minuten gehalten wird und dann auf Raumtemperatur beispielsweise in ungefähr dreißig Minuten abgekühlt wird. Das Ofenlöten kann in einer Umgebung unter Sauerstoffabschluss stattfinden, um eine Sauerstoffverunreinigung zu verhindern. Noch andere geeignete alternative Löttechniken sind dem Fachmann bekannt, und der beispielhafte hier beschriebene Prozess und die Temperaturen sollen nicht so verstanden werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass die Temperatur und die Dauer von jeder Lötstufe zumindest teilweise von den Eigenschaften der Materialien abhängen wird, die für die Wärmetauschergehäuseteile und den Schaum ausgewählt werden, genauso wie von den Eigenschaften der Lötmaterialien selbst. Beispielsweise werden Kupferschäume typischerweise bei höheren Temperaturen gelötet werden als Aluminiumschäume.
  • In noch weiteren Ausführungsbeispielen könnten alternative Verbindungstechniken verwendet werden, wie beispielsweise ein thermisch leitendes Epoxydharz, beispielsweise Aremco-Bond 525, welches von Aremco, Valley Cottage, New York, erhältlich ist. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann das Epoydharz als eine dünne gleichförmige Schicht auf den zu verbindenden Oberflächen des Wärmetauschers 30 aufgebracht werden, und dann über eine Aufheizung von bei spielsweise zwei Stunden bei 150°C gehärtet werden. Ein thermisch leitendes Epoxydharz oder ein anderes thermisch leitendes Klebemittel kann insbesondere für den Schritt der Verbindung des Aluminiumschaumblocks 32 mit den Extrusionskörpern 34 gut geeignet sein.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • In dem Ausführungsbeispiel der 1 kann Öl mit einer relativ hohen Temperatur durch Motorkühlströmungsmittel mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur über den Wärmetauscher 30 gekühlt werden. Das Motorkühlströmungsmittel wird wiederum aufgeheizt und von dort zum Kühler 18 zurückgeleitet, wo Wärme in die Umgebung in herkömmlicher Weise abgeleitet werden kann. Der Wärmetauscher 30 wird einen vergleichsweise leichteren Motorölkühler als gewisse frühere Konstruktionen vorsehen, ohne Leistung zu opfern. In manchen Fällen wird der Aluminiumschaum, der im Wärmetauscher 30 verwendet wird, die Leistungscharakteristiken von früheren Konstruktionen überschreiten.
  • Motorkühlmittel wird ein praktisches Wärmeübertragungsmedium zur Kühlung von Öl, wie beispielsweise Motoröl, in dem Wärmetauscher 30 vorsehen, jedoch könnten Wasser oder ein anderes geeignetes Strömungsmittel verwendet werden, ohne vom beabsichtigten Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Während in Betracht gezogen wird, dass eine Anwendung für den Wärmetauscher 30 ein Motorölkühler sein wird, wie hier gezeigt und beschrieben, ist weiterhin die vorliegende Offenbarung nicht dadurch eingeschränkt. Beispielsweise könnte der Wärmetauscher 30 verwendet werden, um Getriebeströmungsmittel oder ein anderes Motorströmungsmittel zu kühlen, oder er könnte überhaupt getrennt von einem Verbrennungsmotor verwendet werden, beispielsweise als ein Wärmetauscher, um gewisse Strömungsmittel zu kühlen oder zu heizen, die in industriellen Prozessen und verwandten Maschinen verwendet werden.
  • Aluminium hat sich als ein hochwirksames leichtgewichtiges und wirtschaftliches Wärmetauschermaterial erwiesen, insbesondere wenn es bei herkömmlichen Stangen-Platten- und Rohr-Hüllen-Wärmetauschern verwendet wird. Trotz der Vorteile, die von Aluminium geboten werden, sind Kupfer und rostfreier Stahl bis jetzt der Industriestandard gewesen, zumindest teilweise aufgrund der vergleichbaren Einfachheit, mit der gewisse Arten von Wärmetauschern unter Verwendung von Kupfer und Stahl durch herkömmliche Techniken hergestellt werden können. Bezüglich nicht traditioneller Materialien, wie beispielsweise Aluminiumschäumen, sind praktische Konstruktionen und Herstellungsstrategien für zumindest gewisse Arten von Wärmetauschern bis jetzt nicht vorhanden gewesen. Die vorliegende Offenbarung sieht somit ein Herstellungsverfahren und eine Konstruktion für einen modularen Wärmetauscher vor, wodurch zumindest einige, und in gewissen Ausführungsbeispielen alle, Komponenten eines metallschaumbasierten Wärmetauschers aus Aluminium konstruiert werden können, obwohl die hier beschriebenen Techniken genauso auf traditionelle Wärmetauschermaterialien angewandt werden können.
  • Die Anwendung des beschriebenen Ofenlötprozesses erleichtert weiter die relativ schnelle Produktion in großem Umfang, wobei alle oder nahezu alle Strömungsmitteldichtungen und Strukturverbindungen des Wärmetauschers während eines einzigen (Hart-)Lötprozesses geformt werden können. Bezüglich der Materialien genauso wie des Herstellungsprozesses selbst bietet die gegenwärtig offenbarte Strategie beträchtliche Vorteile gegenüber früheren Konstruktionen, wie beispielsweise von Tonnen und anderen, der oben besprochen wurde, wobei Schweiß- oder (Weich-)Löttechniken verwendet werden, um verschiedene Wärmetauscherkomponenten zu befestigen. Während Schweißen und (Weich-)Löten in manchen Fällen geeignet sind, ist es dem Fachmann wohlbekannt, dass Aluminium tendenziell für solche Techniken weniger gut geeignet ist als andere Materialien.
  • In vielen Fällen ist herausgefunden worden, dass das herkömmliche Schweißen von Aluminium nahezu unmöglich ist. Während (Weich-)Löten in Betracht gezogen wird, kann das herkömmliche Weichlöten von inneren Verbindungen erfordern, dass die Technik, die verwendet wird, um später andere Komponenten anzubringen, so ausgewählt wird, dass sie nicht die inneren weichgelöteten Verbindungen stört bzw. zerstört. Anders gesagt, ein Hochtemperaturhartlötprozess oder Schweißprozess für strukturelle Gehäuseverbindungen kann eine Tendenz haben, schon existierende weichgelötete Verbindungen zu beeinträchtigen, da die Schmelztemperatur für Weichlot tendenziell beträchtlich niedriger ist als Temperaturen, die gewöhnlicherweise beim Schweißen und Hartlöten verwendet werden. Die gleiche Technik kann bei der vorliegenden Offenbarung für alle Komponentenverbindungen verwendet werden, und sie leidet nicht unter solchen Nachteilen. Die gesamte Strukturintegrität der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Offenbarung wird auch gegenüber gewissen herkömmlichen Konstruktionen verbessert, und zwar dahingehend, dass ein vergleichsweise steifer und fester Extrusionskörper als ein Substrat zur Anbringung und zum Tragen der anderen Komponenten verwendet werden kann. Noch weiterhin stellt die beschriebene Anwendung eines Metallschaumblockes und eines Extrusionskörpers mit ebenen Stirnseiten eine Konstruktion dar, die gut zur Einpassung des Schaumblockes in das Gehäuse durch Druck geeignet ist. Andere kompliziertere Schaum- und Gehäusekonfigurationen können in ungeeigneter Weise durch die Kräfte verformt werden, die zum Komprimieren oder Einquetschen des Metallschaums nötig sind. Schließlich tendiert das Hartlöten dazu, Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten vorzusehen, die fester sind als gewisse geschweißte oder weichgelötete Verbindungen.
  • Die vorliegende Beschreibung ist nur Veranschaulichungszwecken vorgesehen und soll nicht so angesehen werden, dass sie die breite Auslegung der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Somit wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den gegenwärtig offenbarten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne vom beabsichtigten Kern und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Während beispielsweise die vorliegende Offenbarung in erster Linie im Zusammenhang mit einem Aluminiumextrusionskörper besprochen wird, der als der zweite Gehäuseteil für das Motorkühlströmungsmittel dient, sind Alternativen möglich. Ein Kupferextrusionskörper könnte beispielsweise verwendet werden. In ähnlicher Weise muss der erste Gehäuseteil nicht aus Aluminiumplatten gemacht sein oder überhaupt aus Aluminium gemacht sein. Während die vorliegende Beschreibung Hartlötmaterialien und Hartlöttechniken als gut geeignet zur Herstellung von Wärmetauschern gemäß der vorliegenden Offenbarung bespricht, sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass einige oder alle der Verbindungen zwischen den Komponenten durch andere Mittel hergestellt werden können, wie beispielsweise durch thermisch leitende Epoxydharze oder andere Klebemittel und andere bekannte Verbindungstechniken. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Untersuchung der beigefügten Zeichnungen und der angehängten Ansprüche offensichtlich werden. 26258
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines auf Metallschaum basierenden Wärmetauschers weist auf, beispielsweise einen Aluminiumschaumblock in einem ersten Gehäuseteil zu positionieren, der einen ersten Strömungsmitteldurchlass definiert, und den Block in Kontakt mit einem Teil des Gehäuses anzuordnen, der zumindest einen weiteren Strömungsmitteldurchlass definiert, wobei der Gehäuseteil ein Extrusionskörper ist. Ein Lötflussmaterial und ein Lötfüller werden auf den Schaum und/oder den Extrusionskörper aufgebracht, wobei der Schaum thermisch mit dem Extrusionskörper mit dem Lötfüller über die Aufheizung in einem Lötofen gekoppelt wird. Ein Wärmetauscher weist ein Gehäuse mit einem Strömungsmitteldurchlass mit einem Metallschaum, wie beispielsweise einem Aluminiumschaum, darin auf. Der Metallschaum ist an einem metallischen Extrusionskörper angebracht, wie beispielsweise an einem Aluminiumextrusionskörper, und ist über einen thermisch leitenden Lötfüller damit verbunden. Ein Verfahren zur Kühlung von Öl in einem Verbrennungsmotor wird weiter vorgesehen, welches den Schritt aufweist, Öl mit hoher Temperatur durch einen Aluminiumschaum in einem Strömungsmitteldurchlass eines ersten Gehäuseteils zu leiten und Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch einen zweiten Durchlass in einem zweiten Gehäuseteil zu leiten. Wärme wird zwischen dem Öl mit hoher Temperatur und dem Strömungsmittel mit niedriger Temperatur zumindest teilweise über ein thermisch leitendes Befestigungsmaterial ausgetauscht, welches den Aluminiumschaum mit dem zweiten Teil des Gehäuses verbindet.

Claims (10)

  1. Wärmetauscher (30), der Folgendes aufweist: ein Gehäuse (33, 34), welches einen ersten Strömungsmitteldurchlass (40) und einen Extrusionskörper (34) mit mindestens einem anderen Strömungsmitteldurchlass (50) darin aufweist; und einen Metallschaum (32), der konfiguriert ist, um Wärme zwischen Strömungsmitteln im ersten Strömungsmitteldurchlass (40) und dem mindestens einen anderen Strömungsmitteldurchlass (50) des Gehäuses (33, 34) auszutauschen, wobei der Metallschaum (32) in dem ersten Strömungsmitteldurchlass (40) angeordnet ist und mit dem Extrusionskörper (34) über ein thermisch leitendes Befestigungsmaterial verbunden ist.
  2. Wärmtauscher nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (33, 34) eine Vielzahl von Gehäusepaneelen (33a, 33b) aufweist, die um den Metallschaum (32) herum positioniert sind, wobei die Gehäusepaneele (33a, 33b) Aluminiumplatten (33a, 33b) aufweisen, und wobei sie teilweise den ersten Strömungsmitteldurchlass (40) definieren, wobei der Metallschaum (32) und die Paneele (33a, 33b) mit dem Extrusionskörper (34) über einen thermisch leitenden Lötfüller verbunden sind; wobei der Extrusionskörper (34) einen rechteckigen Aluminium-Extrusionskörper (34) mit einer Vielzahl von Strömungsmitteldurchlässen (50) aufweist, die voneinander durch eine Vielzahl von Versteifungen (52) getrennt sind, und wobei er Umfangskanten (54) und ebene vordere und hintere Oberflächen (36) hat, wobei die Versteifungen (52) längs verlaufende Rippen (52) aufweisen, die senkrecht zu den vorderen und hinteren Oberflächen (36) orientiert sind; wobei die Gehäusepaneele (33a, 33b) senkrecht zu den vorderen und hinteren Oberflächen (36) orientiert sind und mit dem Extrusionskörper (34) benachbart zu den Umfangskanten (54) verbunden sind; und wobei der Metallschaum (32) einen Aluminiumschaumblock (32) aufweist, der in den ersten Strömungsmitteldurchlass (40) durch Druck eingepasst ist.
  3. Wärmetauscher (30) nach Anspruch 2, der weiter eine Vielzahl von Wärmetauscherunteranordnungen aufweist, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, wobei jede Unteranordnung mindestens einen Aluminiumschaumblock (32) und mindestens einen Aluminiumextrusionskörper (34) aufweist, wobei jeder Aluminiumschaumblock (32) zwischen Extrusionskörpern (34) von benachbarten Unteranordnungen durch Druck eingepasst it.
  4. Verfahren zur Herstellung eines auf Metallschaum basierenden Wärmetauschers (30), welches folgende Schritte aufweist: Positionieren einer Vielzahl von Gehäusepaneelen (33a, 33b) um einen Metallschaum (32) herum, wobei die Gehäusepaneele (33a, 33b) einen ersten Gehäuseteil (33) aufweisen; thermisches Koppeln des Metallschaums (32) mit einem zweiten Gehäuseteil (34), der einen Extrusionskörper (34) aufweist, in dem mindestens ein Strömungsmitteldurchlass (50) ist, zumindest teilweise über ein thermisch leitendes Befestigungsmaterial; und Verbinden des ersten Gehäuseteils (33) mit dem zweiten Gehäuseteil (34) zumindest teilweise über einen Schritt des Aufheizens der ersten und zweiten Gehäuseteile (33, 34) miteinander in einem Lötofen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des thermischen Koppelns des Metallschaums (32) mit dem zweiten Gehäuseteil (34) aufweist, einen Aluminiumschaumblock (32) an einem Aluminiumextrusionskörper (34) mit einem Lötfüller anzubringen, und wobei der Koppelungsschritt während des Verbindungsschrittes stattfindet; wobei der Verbindungsschritt weiter aufweist, die Vielzahl von Gehäusepaneelen (33a, 33b) des ersten Gehäuseteils (33) mit dem Extrusionskörper (34) mit dem Lötfüller zu verbinden, wobei das Verbinden der Gehäusepaneele (33a, 33b) mit dem Extrusionskörper (34) einen Strömungsmit teldurchlass (40) getrennt von dem mindestens einen Strömungsmitteldurchlass (50) des Extrusionskörpers (34) definiert; und wobei das Verfahren weiter den Schritt aufweist, den Aluminiumschaumblock (32) aus einem vergleichsweise größeren Block vor dem Positionieren der Gehäusepaneele (33a, 33b) dort herum zu schneiden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter folgende Schritte aufweist: Einpassen des Aluminiumschaumblocks (32) in den Wärmetauscher (30) durch Druck; Positionieren einer Vielzahl von Wärmetauscherunteranordnungen in einer gestapelten Anordnung, wobei jede der Unteranordnungen einen ersten Gehäuseteil (33) mit mindestens einem Aluminiumschaumblock (32) darin und einen zweiten Gehäuseteil (34) aufweist, der einen Aluminiumextrusionskörper (34) aufweist; und Verbinden von jeder der Unteranordnungen der gestapelten Anordnung zumindest teilweise über einen Schritt des Aufheizens der Unteranordnungen zusammen in einem Lötofen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Aufheizens das Aufheizen der Vielzahl von Unteranordnungen zusammen in einer Stufe mit einer Temperatur im Bereich von ungefähr 570°C bis ungefähr 630°C aufweist, wobei das Verfahren weiter Folgendes aufweist: In-Kontakt-Bringen des Aluminiumschaumblockes (32) mit einer äußeren ebenen Oberfläche (36) des Extrusionskörpers (34); und Aufbringen eines Lötfüllers und eines Lötflussmaterials auf dem Aluminiumschaumblock (32) und/oder dem Extrusionskörper (34) vor dem Schritt des thermischen Koppelns.
  8. Verfahren zum Kühlen von Öl in einem Verbrennungsmotorsystem (10), welches folgende Schritte aufweist: Leiten von Öl mit hoher Temperatur durch einen Aluminiumschaum (32), der in einem ersten Strömungsmitteldurchlass (40) in einem ersten Gehäuseteil (33) eines Wärmetauschers (30) angeordnet ist; Leiten von Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch mindestens einen anderen Strömungsmitteldurchlass (50) in einem zweiten Gehäuseteil (34) des Wärmetauschers (30); und Austauschen von Wärme zwischen dem Öl mit hoher Temperatur und dem Strömungsmittel mit niedriger Temperatur zumindest teilweise über ein thermisch leitendes Material, welches den Aluminiumschaum (32) mit dem zweiten Gehäuseteil (34) verbindet.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zweite Gehäuseteil (34) einen extrudierten Aluminiumgehäuseteil (34) mit einer Vielzahl von Strömungsmitteldurchlässen (50) darin aufweist, und wobei der Schritt des Wärmeaustausches aufweist, Wärme zwischen dem Öl mit hoher Temperatur und dem Strömungsmittel mit niedriger Temperatur über ein thermisch leitendes Lotmaterial auszutauschen, welches den Aluminiumschaum (32) mit einer Außenfläche (36) des zweiten Gehäuseteils (34) verbindet; wobei der Schritt des Leitens von Öl mit hoher Temperatur durch einen Aluminiumschaum (32) aufweist, Motoröl mit hoher Temperatur durch einen Aluminiumschaumblock (32) zu leiten, um den eine Vielzahl von Aluminiumgehäusepaneelen (33a, 33b) des ersten Gehäuseteils (33) positioniert ist, wobei die Gehäusepaneele (33a, 33b) den ersten Strömungsmitteldurchlass (40) definieren; und wobei der Schritt des Leitens von Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch den mindestens einen Durchlass (50) des zweiten Gehäuseteils (34) aufweist, Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch eine Vielzahl von Strömungsmitteldurchlässen (50) zu leiten, die voneinander durch eine Vielzahl von Versteifungen (52) getrennt sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, welches weiter Folgendes aufweist: Leiten von Öl mit hoher Temperatur durch eine Vielzahl von Aluminiumschaumblöcken (32), die jeweils in jedem von einer Vielzahl von Wärmetauscherunteranordnungen angeordnet sind, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind; Leiten von Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch eine Vielzahl von Aluminiumextrusionskörpern (34), die jeweils mit mindestens einem der Aluminiumschaumblöcke (32) verbunden sind, und jeweils in jeder der Vielzahl von Gehäuseunteranordnungen angeordnet sind; wobei der Schritt des Leitens von Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch die Vielzahl von Aluminiumextrusionskörpern (34) aufweist, Strömungsmittel mit niedriger Temperatur durch eine Vielzahl von Strömungsmitteldurchlässen (50) in jedem der Aluminiumextrusionskörper (34) zu leiten, wobei die Vielzahl von Strömungsmitteldurchlässen (50) jeweils strömungsmittelmäßig von benachbarten Strömungsmitteldurchlässen durch Versteifungen (52) getrennt sind, die in dem jeweiligen Extrusionskörper (34) sind und sich in Längsrichtung zwischen einem Einlass und einem Auslass des Strömungsmitteldurchlasses erstrecken.
DE112007000796T 2006-03-28 2007-02-08 Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers basierend auf metallischem Schaum Withdrawn DE112007000796T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/390,636 US20070228113A1 (en) 2006-03-28 2006-03-28 Method of manufacturing metallic foam based heat exchanger
US11/390,636 2006-03-28
PCT/US2007/003533 WO2007126474A1 (en) 2006-03-28 2007-02-08 Method of manufacturing metallic foam based heat exchanger

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112007000796T5 true DE112007000796T5 (de) 2009-02-12

Family

ID=38480476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112007000796T Withdrawn DE112007000796T5 (de) 2006-03-28 2007-02-08 Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers basierend auf metallischem Schaum

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20070228113A1 (de)
CN (1) CN101410688A (de)
DE (1) DE112007000796T5 (de)
WO (1) WO2007126474A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015220797A1 (de) * 2015-10-23 2017-04-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0620512D0 (en) * 2006-10-16 2006-11-22 Sustainable Engine Systems Ltd Heat exchanger
US20090139475A1 (en) * 2007-11-30 2009-06-04 Caterpillar Inc. Engine cooling system including metal foam
FR2961894B1 (fr) * 2010-06-24 2013-09-13 Valeo Vision Dispositif a echange de chaleur, notamment pour vehicule automobile
WO2012106603A2 (en) 2011-02-04 2012-08-09 Lockheed Martin Corporation Shell-and-tube heat exchangers with foam heat transfer units
WO2012106601A2 (en) 2011-02-04 2012-08-09 Lockheed Martin Corporation Radial-flow heat exchanger with foam heat exchange fins
WO2012106605A2 (en) 2011-02-04 2012-08-09 Lockheed Martin Corporation Staged graphite foam heat exchangers
KR20140025340A (ko) * 2011-02-04 2014-03-04 록히드 마틴 코포레이션 폼 핀들을 갖는 열교환기
US8746975B2 (en) 2011-02-17 2014-06-10 Media Lario S.R.L. Thermal management systems, assemblies and methods for grazing incidence collectors for EUV lithography
US20130146437A1 (en) * 2011-11-23 2013-06-13 Lockheed Martin Corporation Dehumidifier system and method
US9279626B2 (en) * 2012-01-23 2016-03-08 Honeywell International Inc. Plate-fin heat exchanger with a porous blocker bar
FR2992716A1 (fr) 2012-06-29 2014-01-03 Filtrauto Structure poreuse pour fluide incorporant un conduit
CN102974909B (zh) * 2012-12-04 2016-04-13 无锡方盛换热器制造有限公司 高压铝制板翅式换热器钎焊方法
CA2916636C (en) * 2013-07-01 2020-06-09 Knew Value, LLC Heat exchanger testing device
US10234361B2 (en) 2013-07-01 2019-03-19 Knew Value Llc Heat exchanger testing device
CN111159903B (zh) * 2019-12-31 2023-07-21 重庆邮电大学 一种紧凑型多通道多流体热交换装置的设计和制造方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1050287A (de) * 1900-01-01
US5231968A (en) * 1992-07-27 1993-08-03 Donald Siefkes Foamed metal heat device
FR2742856B1 (fr) * 1995-12-21 1998-01-30 Renault Echangeur de chaleur pour vehicule automobile comportant une structure maillee tridimensionnelle permeable
KR19990085965A (ko) * 1998-05-23 1999-12-15 박호군 다공핀 평판관형 열교환기
US6284206B1 (en) * 1999-03-22 2001-09-04 International Fuel Cells, Llc Compact selective oxidizer assemblage for a fuel cell power plant
US20030070793A1 (en) * 2001-10-15 2003-04-17 Dierbeck Robert F. Heat exchanger assembly with dissimilar metal connection capability
US6387555B1 (en) * 2000-02-22 2002-05-14 Utc Fuel Cells, Llc Selective oxidizer in cell stack manifold
US6424529B2 (en) * 2000-03-14 2002-07-23 Delphi Technologies, Inc. High performance heat exchange assembly
NL1016713C2 (nl) * 2000-11-27 2002-05-29 Stork Screens Bv Warmtewisselaar en een dergelijke warmtewisselaar omvattende thermo-akoestische omvorminrichting.
SE525660C2 (sv) * 2002-06-12 2005-03-29 Saab Ab Metod för fixering av metallskum mot en metallplåt
EP1553379B8 (de) * 2004-01-08 2016-09-14 SPX Dry Cooling Belgium sprl Wärmetauscher für Industrieanlagen
EP1584695A1 (de) * 2004-04-06 2005-10-12 Efoam S.A. Verfahren zum Verbinden eines Schaumwerkstoff zu einem Metalteil

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015220797A1 (de) * 2015-10-23 2017-04-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Also Published As

Publication number Publication date
US20070228113A1 (en) 2007-10-04
WO2007126474A1 (en) 2007-11-08
CN101410688A (zh) 2009-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112007000796T5 (de) Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers basierend auf metallischem Schaum
DE102004057526B4 (de) Stapelkühler
DE112013003579T5 (de) Kompakter Aluminium-Wärmetauscher mit geschweissten Röhren für Leistungselektronik undzur Batteriekühlung
DE112018003831T5 (de) Ultradünne wärmetauscher für das wärmemanagement
DE10048212A1 (de) Wärmetauscher aus Aluminium mit verlötetem Verbindungsbereich
DE102009040544A1 (de) Wärmeaustauscher mit einem Kältespeicher
DE112008001274T5 (de) Wasserstoffgasspeichervorrichtung
DE112007002824T5 (de) Zweidimensionaler Mehrfluid-Wärmetauscher
DE102009047620C5 (de) Wärmeübertrager mit Rohrbündel
DE112017005880B4 (de) Gestapelter Wärmetauscher
DE102011113453A1 (de) Kühler
DE102008015519A1 (de) Lötverfahren
DE102012109346A1 (de) Interner Wärmetauscher mit externen Sammelrohren
DE112015005115T5 (de) Wärmeaustausch-Vorrichtung und Herstellungsverfahren für eine Wärmeaustausch-Vorrichtung
DE112011105882T5 (de) Wärmetauscher mit Endabdichtung zum Blockieren eines Luftumgehungsstroms
DE10045175A1 (de) Wärmetauscher und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102011013043A1 (de) Wärmetauscher
EP0703424B1 (de) Wärmetauscher in Plattenbauweise
DE102006021763A1 (de) Verlöteter Aufbau und Verfahren zur Herstellung desselben
DE10130788A1 (de) Wärmetauscher mit mehreren mit Sammelbehältern durch Verlöten verbundenen Röhrchen
DE19547440A1 (de) Ölkühler
DE10328748B4 (de) Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler für Nutzfahrzeuge
DE112016003449T5 (de) Wärmetauscher und Verfahren zum Herstellen desselben
EP1430530A2 (de) Wärmetauscher
EP2795219B1 (de) Modularer wärmetauscher

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20110901