DE19927607A1 - Ladeluftkühler mit einem Kühlmitteleintritt sowie einem Kühlmittelaustritt - Google Patents

Abstract

Ein Ladeluftkühler mit einem Kühlmitteleintritt sowie einem Kühlmittelaustritt und mit einem Ladelufteintritt sowie einem Ladeluftaustritt ist bekannt. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind zur Führung der Ladeluft parallel zueinander verlaufende Rohre vorgesehen, deren Rohrenden auf gegenüberliegenden Stirnseiten derart aufgeweitet sind, daß die Rohrenden benachbarter Rohre bündig und flächig aneinanderschließen, daß die Rohre von einem Gehäusemantel umgeben sind, der mit dem Kühlmitteleintritt sowie dem Kühlmittelaustritt versehen ist, und daß die aufgeweiteten Rohrenden der Rohre auf beiden Stirnseiten mit dem Gehäusemantel sowie mit den Ladelufteintritt bzw. den Ladeluftaustritt aufweisenden Luftkästen dicht verbunden sind. DOLLAR A Einsatz für Antriebsmotoren von Personen-, Last- oder Nutzfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler mit einem Kühl­ mitteleintritt sowie einem Kühlmittelaustritt und mit einem Ladelufteintritt und einem Ladeluftaustritt.

Ein solcher Ladeluftkühler ist aus der DE 39 06 747 A1 be­ kannt. Bei dem bekannten Ladeluftkühler wird Kühlmittel in Form von Kühlwasser durch einen Rippen/Rohrblock hindurchge­ leitet, wobei im Kreuzgegenstromverfahren dazu Ladeluft zwi­ schen den Rohren des Rippen/Rohrblockes hindurchströmt.

Es ist auch bekannt (Prospekt BEHR-Ladeluftkühler der Fa. Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co. KG von 1981), mit flüssigem Kühlmittel, insbesondere Wasser, betrie­ bene Ladeluftkühler für Nutz- oder Lastfahrzeuge vorzusehen, die in Paketbauweise gestaltet sind. Zur Führung des flüssi­ gen Kühlmittels, nämlich Wasser, sind mehrere Lagen von par­ allel nebeneinander liegenden Flachrohren vorgesehen, zwi­ schen denen jeweils eine Lage von Rippen angeordnet ist, durch die die Ladeluft hindurchströmt. In dem Prospekt sind auch Rippen/Rohr-Systeme für Ladeluft/Wasserkühler vorgese­ hen, bei denen parallel zueinander verlaufende Rohre durch quer dazu ausgerichtete, lamellenartige Rippen umgeben sind.

Die Rohre werden von Kühlwasser durchströmt. Die Ladeluft durchströmt die die Rohre umgebenden Rippen quer und kreuzend zu der Strömungsrichtung des Wassers.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ladeluftkühler der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, der einen vereinfachten Auf­ bau mit gutem Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Führung der Lade­ luft parallel zueinander verlaufende Rohre vorgesehen sind, deren Rohrenden auf gegenüberliegenden Stirnseiten derart aufgeweitet sind, daß die Rohrenden benachbarter Rohre bündig und flächig aneinanderschließen, daß die Rohre von einem Ge­ häusemantel umgeben sind, der mit deih Kühlmitteleintritt so­ wie dem Kühlmittelaustritt versehen ist, und daß die aufge­ weiteten Rohrenden der Rohre auf beiden Stirnseiten mit dem Gehäusemantel sowie mit den Ladelufteintritt bzw. den Lade­ luftaustritt aufweisenden Luftkästen dicht verbunden sind. Die erfindungsgemäße Lösung geht gegenüber dem Stand der Technik den umgekehrten Weg, in dem die Rohre für die Durch­ strömung der Ladeluft und die Rippen für die Umströmung durch das flüssige Kühlmittel vorgesehen sind. Durch die aufgewei­ tete Gestaltung der Rohrenden sind die Luftkästen ohne Boden ausführbar, wodurch sich ein wesentlich vereinfachter Aufbau ergibt. Durch die trichterförmige Ausbildung der Rohrenden ergeben sich für die einströmende Ladeluft geringe Einlauf­ verluste, d. h. ein verminderter Druckabfall. Durch die Füh­ rung der Ladeluft im Flüssigkeitsmantel erfährt das Gehäuse des Ladeluftkühlers eine geringere Aufheizung, da der Gehäu­ semantel sich nur bis nahezu zur Siedetemperatur des Kühlmit­ tels aufheizen kann. Beim Stand der Technik hingegen, bei dem die Ladeluft die Rohre umströmte, konnten wesentlich höhere Temperaturen des Gehäuses auftreten. Bei der erfindungsgemä­ ßen Lösung werden gegenüber dem Stand der Technik weniger Teile und demzufolge weniger Materialaufwand benötigt. Es sind daher kürzere Fertigungszeiten mit hohem Automatisie­ rungsgrad erzielbar. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler weist gegenüber dem Stand der Technik ein reduziertes Gewicht auf. Bei wenigstens gleichem Leistungs/Druckabfallverhalten ist gegenüber dem Stand der Technik eine kostengünstigere Fertigung erzielbar. Bei Wärmeübertragern ist es grundsätz­ lich bereits bekannt (DE 197 22 097 A1), Flachrohre eines Rippen/Rohrblockes mit aufgeweiteten Rohrenden zu versehen und auf die bündig und flächig aneinanderliegenden Rohrenden bodenlose Strömungskästen dicht aufzusetzen, wie dies auch die erfindungsgemäße Lösung vorschlägt. Dort dienen die Rohre jedoch zur Führung von Kühlflüssigkeit, bei der Erfindung hingegen zur Führung der Ladeluft.

Die Luftkästen sind entweder direkt dicht auf die aufgeweite­ ten Rohrenden aufgesetzt, oder aber mit dem Gehäusemantel dicht verbunden, der die aufgeweiteten Rohrenden bündig ab­ schließend und dicht umschließt. Vorzugsweise ist der Lade­ luftkühler als Ganzmetallausführung gestaltet, wobei der Rip­ pen/Rohrblock, der Gehäusemantel und die Luftkästen jeweils aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und in einem Lötofen durch einen einstufigen Arbeitsgang dicht miteinander verlö­ tet sind. Dazu sind die entsprechend miteinander in Verbin­ dung kommenden Bereiche der einzelnen Teile des Ladeluftküh­ lers wenigstens einseitig lotplattiert.

In Ausgestaltung der Erfindung sind der Kühlmitteleintritt und der Kühlmittelaustritt am Gehäusemantel derart angeord­ net, daß das Kühlmittel im Gegenstrombetrieb zu der Ladeluft strömen kann. Dadurch wird ein besonders guter Wirkungsgrad erzielt, da für den Wärmeübergang zwischen Ladeluft und Kühl­ mittel, insbesondere Kühlwasser, die gesamte Länge der Rohre zur Verfügung steht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre als Flachrohre gestaltet. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise des Ladeluftkühlers erzielt. Zudem ermöglicht die Gestaltung der Rohre als Flachrohre eine besonders einfache Aufweitung der Rohrenden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gehäusemantel in den Bereichen des Kühlmitteleintrittes sowie des Kühlmit­ telaustrittes jeweils mit einer etwa über die Höhe der paral­ lel liegenden Rohre erstreckten, wannenartigen Ausbuchtung versehen. Die Ausbuchtung sowohl im Bereich des Kühlmittel­ eintrittes als auch im Bereich des Kühlmittelaustrittes ist insbesondere von Vorteil, falls der Gehäusemantel ohne Spalt direkt am Rippen/Rohrblock anliegt. Die Verteilung des Kühl­ mittels über die gesamte Höhe des Rippen/Rohrblockes wird für diesen Fall durch die Ausbuchtungen im Bereich des Kühlmit­ teleintrittes und des Kühlmittelaustrittes vorgenommen, so daß eine gleichmäßige Umströmung aller Flachrohre durch das Kühlmittel sowie ein zuverlässiger Gegenstrombetrieb gewähr­ leistet sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gehäusemantel zweiteilig gestaltet. Dadurch ist eine besonders einfache Herstellbarkeit des Ladeluftkühlers ermöglicht. Zudem sind durch die zweiteilige Gestaltung des Gehäusemantels Toleran­ zen in den Abmessungen des Rippen/Rohrblockes ausgleichbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Gehäuseman­ tel zwischen Kühlmitteleintritt und Kühlmittelaustritt umlau­ fend an der Außenkontur des durch die Rohre und die dazwi­ schenliegenden Rippen gebildeten Rippen/Rohrblockes an. Da­ durch ist es möglich, bei einer Ganzmetallausführung des Ladeluftkühlers eine Verlötung auch zwischen den Außenkanten der Rippen und/oder der Rohre des Rippen/Rohrblockes und dem Gehäusemantel zu erzielen, so daß der Ladeluftkühler eine be­ sonders hohe Gesamtsteifigkeit aufweist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Flachrohre im Bereich ihrer Rohrenden ausschließlich in ihrer Höhe auf­ geweitet. Dadurch weisen die Flachrohre über die gesamte Rohrlänge die gleiche Breite auf. Die seitlichen Außenflächen der jeweils außenliegenden Flachrohre schließen somit bündig mit den Außenkanten der Rippen ab, so daß der Gehäusemantel neben den Außenkanten der Rohre auch mit den jeweiligen Au­ ßenseiten der Flachrohre dicht verlötbar ist. Die Steifigkeit des Ladeluftkühlers wird dadurch weiter erhöht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand der Zeichnungen dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladeluftküh­ lers,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Ladeluftkühler nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Ladeluftkühlers nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Rippen/Rohrblockes des Lade­ luftkühlers nach den Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Rippen/Rohrblock des Lade­ luftkühlers nach den Fig. 1 bis 3,

Fig. 6 einen Längsschnitt längs der Schnittlinie VI-VI in Fig. 5 durch den Rippen/Rohrblock nach den Fig. 4 und 5,

Fig. 7 einen Querschnitt durch den Ladeluftkühler nach Fig. 2 entlang der Schnittlinie VII-VII in Fig. 2,

Fig. 8 in vergrößerter Darstellung in einer Draufsicht einen Ausschnitt eines Flachrohres des Rippen/Rohrblockes nach den Fig. 4 bis 6 im Bereich eines aufgeweiteten Rohrendes, und

Fig. 9 eine Seitenansicht des Ausschnittes des Flachrohres nach Fig. 8.

Ein Ladeluftkühler nach den Fig. 1 bis 9 ist mit einem Lade­ lufteintritt 1 und einem Ladeluftaustritt 2 versehen, wobei Ladeluft L₁ in heißem Zustand eintritt und in abgekühltem Zu­ stand gemäß dem Pfeil L₂ auf der gegenüberliegenden Seite wieder austritt. Im Gegenstrombetrieb dazu (siehe insbesonde­ re Pfeile in Fig. 1 und 2) wird flüssiges Kühlmittel, vor­ zugsweise Kühlflüssigkeit eines Kühlkreislaufes eines Fahr­ zeugverbrennungsmotors, an einem Kühlmitteleintritt 5 dem Lade luftkühler zugeführt (Pfeil K₁) und an einem Kühlmittel­ austritt 6 nach entsprechender Wärmeübertragung der Ladeluft auf die Kühlflüssigkeit aufgeheizt (Pfeil K₂) wieder heraus­ geführt.

Zur Führung der Ladeluft L₁, L₂ weist der Ladeluftkühler zwei parallel nebeneinanderliegende Reihen von Flachrohren 10 auf, deren Rohrenden 11 an den gegenüberliegenden Stirnseiten der Flachrohre 10 jeweils in identischer Weise rechteckig aufge­ weitet sind (siehe auch Fig. 8 und 9). Die Rohrenden 11 auf beiden Stirnseiten der Flachrohre 10 sind derart aufgeweitet, daß die Flachrohre 10 paketförmig aufeinandersetzbar sind, wobei die Rohrenden 11 jeweils flächig und bündig an den übereinander und nebeneinander benachbarten Rohrenden 11 der entsprechenden Flachrohre 10 anliegen. Die Rohrenden 11 bil­ den somit auf beiden Stirnseiten jeweils eine gemeinsame, na­ hezu quadratische Grundfläche, die durch die Höhe der acht übereinanderliegenden Rohrenden einerseits und die Breite von jeweils zwei nebeneinanderliegenden Rohrenden andererseits definiert ist. Wie anhand der Fig. 8 und 9 erkennbar ist, entspricht die Breite jedes Rohrendes 11 exakt der Breite des übrigen Flachrohres 10, so daß die Rohrenden 11 lediglich in ihrer Höhe gegenüber den zugehörigen Flachrohren 10 gemäß Fig. 9 aufgeweitet sind.

Zwischen den gegenüberliegenden Rohrenden der übereinander­ liegenden Flachrohrpaare verbleibt im zusammengefügten Zu­ stand der Flachrohre 10 jeweils ein über die Breite jedes Flachrohrpaares durchgehender Spalt, in dem jeweils eine la­ mellenartige Rippe 14, die über die gesamte Breite jedes Flachrohrpaares durchgeht, positioniert ist. Alternativ kön­ nen auch jeweils zwei nebeneinanderliegende Rippen vorgesehen sein. Die Rippen sind mit durchbrochenen Steg- oder Wellen­ prägungen versehen, um die Führung der Kühlflüssigkeit im Ge­ genstrombetrieb längs der Flachrohre 10 zu ermöglichen.

Zur Führung der Kühlflüssigkeit innerhalb des Rippen/Rohr­ blockes ist ein Gehäusemantel 7, 9 vorgesehen, der aus zwei Teilen besteht. Der Gehäusemantel 7, 9 weist ein rinnenarti­ ges Unterteil auf, das aus einem Boden sowie zwei auf gegen­ überliegenden Seiten vom Boden rechtwinklig nach oben umge­ kanteten Seitenwänden besteht. Der Abstand der gegenüberlie­ genden Seitenwände des Unterteiles 7 ist auf die Breite des Rippen/Rohrblockes abgestimmt. Die Seitenwände des Untertei­ les 7 sind etwas höher als die Höhe der übereinanderliegenden Rohrenden 11 und damit die Höhe des Rippen/Rohrblockes, so daß zwischen die oberen Ränder der Seitenwände des Untertei­ les 7 ein Deckel 9 des Gehäusemantels einsetzbar ist. Der Deckel 9 ist plattenartig gestaltet und weist zwei rechtwink­ lig nach oben umgekantete Seitenränder auf, die mit ihren Au­ ßenseiten an den Innenseiten der Seitenwände des Unterteiles 7 anliegen. Der plattenartige Deckel 9 weist an seinen gegen­ überliegenden Stirnseiten jeweils eine über die gesamte Brei­ te des Deckels 9 durchgehende Prägung 13 auf, die einen im Profil stufenartigen Verlauf besitzt. Der stufenartige Ver­ lauf ist auf die Aufweitung der Rohrenden 11 des obersten Flachrohrpaares abgestimmt, so daß die Unterseite des Deckels 9 mit ihrer gesamten Fläche flächig auf den Rohrenden 11 bzw. der übrigen Erstreckung der beiden oberen Flachrohre 10 auf­ liegt. Der Boden des Unterteiles 7 ist in korrespondierender Weise mit Prägungen 12 versehen, die eine bündige und über die gesamte Fläche durchgängige Anlage des Bodens an dem un­ teren Flachrohrpaar des Rippen/Rohrblockes ermöglichen. Der Rippen/Rohrblock ist somit an allen vier Seiten flächig an­ liegend in den Gehäusemantel 7, 9 eingebettet.

Sowohl am Kühlmitteleintritt 5 als auch am Kühlmittelaustritt 6 ist jeweils ein nicht näher bezeichneter Anschlußstutzen für die Zuführung des kalten Kühlmittels K₁ bzw. die Abfüh­ rung des aufgeheizten Kühlmittels K₂ vorgesehen, der zylind­ risch gestaltet ist und von der jeweiligen Seitenwand des Un­ terteiles 7 nach außen abragt. Sowohl im Bereich des Kühlmit­ teleintrittes 5 als auch im Bereich des Kühlmittelaustrittes 6 ist zudem eine über nahezu die gesamte Höhe des Rippen/­ Rohrblockes durchgehende Ausbuchtung 8 vorgesehen, die wan­ nenartig vom Rippen/Rohrblock weg nach außen gerichtet und in der jeweiligen Seitenwand des Unterteiles 7 integriert ist. Im Bereich des Kühlmitteleintrittes 5 dient die Ausbuchtung 8 als Verteilerkasten für das Kühlmittel. Im Bereich des Kühl­ mittelaustrittes 6 dient die Ausbuchtung 8 als Sammelkasten. Dadurch ist eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kühl­ mittels in alle Spalten zwischen den jeweils benachbarten Flachrohrpaaren und damit eine gleichmäßige Durchströmung der Rippen 14 gewährleistet.

Auf die blockförmig aneinanderliegenden Rohrenden 11 auf den gegenüberliegenden Stirnseiten des Rippen/Rohrblockes ist je­ weils ein glocken- oder haubenartiger Luftkasten 3 aufge­ setzt, der mit einem entsprechenden Anschlußstutzen für die Zufuhr bzw. Abfuhr der Ladeluft L₁, L₂ versehen ist. Je nach baulicher Ausgestaltung kann der Luftkasten 3 direkt auf die Rohrenden 11 oder aber auf den die Rohrenden 11 umgebenden Gehäusemantel aufgesteckt werden.

Wie insbesondere anhand der Fig. 6 und 7 erkennbar ist, sind in jedem Flachrohr 10 Wellenprofile 15 vorgesehen, die jede Flachrohrkammer in mehrere Strömungskanäle unterteilen. Die Wellprofile sind in die Flachrohre unter wechselweiser dich­ ter Verbindung mit Ober- und Unterseite der Flachrohre 10 eingesetzt und erstrecken sich über nahezu die gesamte Länge der Flachrohre 10. Dadurch wird innerhalb der Flachrohre durch die Schaffung der vergrößerten Anzahl von Strömungska­ nälen ein verbesserter Wärmeübergang erzielt.

Alle Teile des Ladeluftkühlers sind aus Metall und zwar aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Dies gilt neben den Luftkästen 3, dem Gehäusemantel 7, 9 und dem Rippen/Rohrblock 10, 14 auch für die die Strömungskanäle in jedem Flachrohr 10 bildenden Wellprofile 15. Die Teile des Ladeluftkühlers kön­ nen somit zu einer Baueinheit vorab zusammengefügt werden und anschließend in einem Lötofen durch einen einstufigen Ar­ beitsgang dicht miteinander verlötet werden. Dabei sind alle Teile des Ladeluftkühlers, wie soeben beschrieben, zumindest einseitig lotplattiert, so daß ein zusätzlicher Lotauftrag an den jeweiligen Verbindungsstellen nicht mehr notwendig ist.

Der Ladeluftkühler emäß den Fig. 1 bis 9 eignet sich insbe­ sondere für den Einsatz bei einem Dieselantriebsmotor eines Personen-, Nutz- oder Lastkraftfahrzeuges.

Claims (10)

1. Ladeluftkühler mit einem Kühlmitteleintritt sowie einem Kühlmittelaustritt, und mit einem Ladelufteintritt und einem Ladeluftaustritt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung der Ladeluft (L₁, L₂) parallel zueinander verlaufende Rohre (10) vorgesehen sind, deren Rohrenden (11) auf gegenüberliegenden Stirnseiten derart aufgeweitet sind, daß die Rohrenden (11) benachbarter Rohre bündig und flächig aneinanderschließen, daß die Rohre (10) von einem Gehäuseman­ tel (7, 9) umgeben sind, der mit dem Kühlmitteleintritt (5) sowie dem Kühlmittelaustritt (6) versehen ist, und daß die aufgeweiteten Rohrenden (11) der Rohre (10) auf beiden Stirn­ seiten mit dem Gehäusemantel (7, 9) sowie mit den Lade­ lufteintritt (1) bzw. den Ladeluftaustritt (2) aufweisenden Luftkästen (3) dicht verbunden sind.

2. Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteleintritt (5) und der Kühlmittelaustritt (6) am Gehäusemantel (7, 9) derart angeordnet sind, daß das Kühl­ mittel (K₁, K₂) im Gegenstrombetrieb zu der Ladeluft (L₁, L₂) strömen kann.

3. Ladeluftkühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohre als Flachrohre (10) gestaltet sind.

4. Ladeluftkühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Flachrohren (10) Rippen (14) angeordnet sind.

5. Ladeluftkühler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flachrohre (10) jeweils mit mehreren Strö­ mungskanälen versehen sind.

6. Ladeluftkühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre (10) im Bereich ihrer Rohrenden (11) aus­ schließlich in ihrer Höhe aufgeweitet sind.

7. Ladeluftkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusemantel (7, 9) in den Bereichen des Kühlmitteleintrittes (5) sowie des Kühlmittel­ austrittes (6) jeweils mit einer etwa über die Höhe der par­ allelliegenden Rohre (10) erstreckten, wannenartigen Ausbuch­ tung (8) versehen ist.

8. Ladeluftkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusemantel (7, 9) zweitei­ lig gestaltet ist.

9. Ladeluftkühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusemantel (7, 9) zwischen Kühlmitteleintritt (5) und Kühlmittelaustritt (6) umlaufend an der Außenkontur des durch die Rohre (10) und die dazwischenliegenden Rippen (14) gebildeten Rippen/Rohrblockes (10, 14) anliegt.

10. Ladeluftkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile des Ladeluftkühlers einschließlich Rippen/Rohrblock (10, 14), Gehäusemantel (7, 9) und Luftkästen (3) aus einer Leichtmetallegierung herge­ stellt und wenigstens einseitig lotplattiert sind.