DE202015105743U1 - Inlet air through a turbulence generating grid mixing and a warmed surface having resonant intercooler core - Google Patents
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Abstract
Wärmetauscher, der Folgendes umfasst: einen Eintrittskasten mit einem Eintritt; eine Verwirbelungen herbeiführende Struktur, die in dem Eintrittskasten eingebaut ist; einen Austrittskasten mit einem Austritt; ein Rohr, das den Eintrittskasten mit dem Austrittskasten strömungsverbindet, wobei das Rohr eine Innenfläche umfasst; und eine Verwirbelungen herbeiführende Struktur, die an der Innenfläche des Rohrs ausgebildet ist.A heat exchanger, comprising: an inlet box having an inlet; a vortex inducing structure installed in the entry box; a discharge box with an outlet; a tube fluidly connecting the entry box to the exit box, the tube including an inner surface; and a vortex inducing structure formed on the inner surface of the pipe.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Das offenbarte erfinderische Konzept bezieht sich allgemein auf Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge. Insbesondere bezieht sich das offenbarte erfinderische Konzept auf einen resonanten Ladeluftkühlerkern, der interne Strukturen zum Erzeugen von Turbulenz und somit zur Verbesserung von Wärmeübertragung aufweist.The disclosed inventive concept generally relates to intercoolers for motor vehicles. In particular, the disclosed inventive concept relates to a resonant intercooler core having internal structures for generating turbulence and thus improving heat transfer.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Verbrennungsmotoren werden zunehmend mit Turboladern oder Aufladern ausgestattet, um mehr Luftmasse in den Einlasskrümmer und die Brennkammer des Motors zu forcieren. Die erhöhte Luftmassenmenge resultiert daraus, dass die Luft durch einen Luftverdichter verdichtet wird, der durch eine Turbine angetrieben wird, die wiederum durch ein mit dem Auslasssystem assoziiertes Verdichterrad angetrieben wird. Obgleich die Zufuhr von verdichteter Luft die Leistung des Motors verbessert, wird dadurch der Einlasskrümmer erhitzt, wodurch eine Reduzierung der Dichte der Ladeluft verursacht wird.Internal combustion engines are increasingly being equipped with turbochargers or boosters to force more air mass into the intake manifold and engine combustion chamber. The increased mass air mass results from the fact that the air is compressed by an air compressor driven by a turbine, which in turn is driven by a compressor wheel associated with the exhaust system. Although the supply of compressed air improves the performance of the engine, it heats the intake manifold, causing a reduction in the charge air density.
Zum Ausgleich der erhöhten Temperatur der einströmenden Luft, werden Ladeluftkühler stromaufwärts des Luftstroms vorgesehen. Der typische Ladeluftkühler (LLK) umfasst einen Lufteintrittskasten, einen Luftaustrittskasten und eine Reihe von länglichen und parallelen Kühlrohren, die eine Strömungsverbindung des Lufteintrittskastens mit dem Luftaustrittskasten herstellen.To compensate for the increased temperature of the incoming air, intercoolers are provided upstream of the air flow. The typical intercooler (LAC) includes an air inlet box, an air outlet box, and a series of elongate and parallel cooling tubes that provide flow communication of the air inlet box with the air outlet box.
Trotz stetiger Fortschritte bei der Technologie für effiziente Ladeluftkühler stehen Konstrukteure dieser Kühler aufgrund von Packagingbeschränkungen vor Herausforderungen. Es ist bekannt, dass Ladeluftkühler zur Erzielung eines hohen Ladeluftkühlerwirkungsgrads eine Fläche aufweisen sollten, die groß genug ist, um eine ausreichende Fläche zum ordnungsgemäßen Kühlen der vom Eintrittskasten zum Austrittskasten strömenden Luft bereitzustellen. Die Größe des Ladeluftkühlers ist jedoch oftmals durch den verfügbaren Raum beschränkt.Despite constant advances in technology for efficient intercoolers, designers of these coolers are facing challenges due to packaging constraints. It is known that intercoolers should have an area large enough to provide sufficient surface area for proper cooling of the air flowing from the inlet box to the outlet box for high intercooler efficiency. However, the size of the intercooler is often limited by the available space.
Zu Beschränkungen von verfügbarem Raum kommt es durch zahlreiche Faktoren. Erstens sollten Ladeluftkühler für einen maximalen Kühlungswirkungsgrad „erste Luft“ empfangen, d.h., sie sollten vor dem Kühler und anderen Wärmetauschern positioniert sein. Zweitens führen bekannte Komponenten, wie z. B. die aktive Radareinstellschraube und das aktive Kühlergrillklappengehäuse, zu einem sehr beengten Raum für den Ladeluftkühler. Der minimale zur Verfügung stehende Raum für den Ladeluftkühler steht im Konflikt mit dem Bedarf der Bereitstellung eines Ladeluftkühlers, der so groß wie möglich ist.Limitations of available space are due to numerous factors. First, charge air coolers should receive "first air" for maximum cooling efficiency, i.e., they should be positioned in front of the radiator and other heat exchangers. Second, known components such. As the active Radareinstellschraube and the active grille shutter housing, a very tight space for the intercooler. The minimum space available for the intercooler is in conflict with the need to provide an intercooler that is as large as possible.
Somit besteht, wie auf so vielen Gebieten der Fahrzeugtechnologie, Verbesserungsbedarf bei der Konstruktion von Ladeluftkühlern, bei der eine maximale Kühlung unter Verwendung eines kleineren Kühlers erzielt werden kann, der somit eine geeignete Größe für die begrenzten Bereiche, wie sie in heutigen Fahrzeugen vorliegen, aufweist.Thus, as in so many areas of vehicle technology, there is room for improvement in the design of intercoolers in which maximum cooling can be achieved using a smaller radiator, thus having an appropriate size for the limited areas present in today's vehicles ,
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION
Das offenbarte erfinderische Konzept überwindet die mit bekannten Ladeluftkühlern in Verbindung stehenden Probleme durch Bereitstellen maximaler Luftkühlung in einem relativ kleinen Kühler. Für dieses Ergebnis wird allgemein durch Strukturen innerhalb des Ladeluftkühlers, die Verwirbelungen im Luftstrom erzeugen und somit Turbulenz herbeiführen und den Wärmeübertragungswirkungsgrad erhöhen, gesorgt.The disclosed inventive concept overcomes the problems associated with known intercoolers by providing maximum air cooling in a relatively small radiator. This result is generally provided by structures within the charge air cooler that create turbulence in the airflow, thus causing turbulence and increasing heat transfer efficiency.
Unter Würdigung dessen, dass die Strömung während unterschiedlicher Arbeitsbedingungen des Fahrzeugs laminar, übergehend oder turbulent sein kann, hat sich bestätigt, dass die Strömung durch Bereitstellen einer ausgewählten internen Struktur bei den meisten Arbeitsbedingungen turbulent ist. Bei den Strukturen kann es sich um eines der Folgenden (oder eine Kombination derer) handeln: ein Drahtgeflecht, ein Drahtgitter und ein Rahmen mit parallelen Drähten, die im Eintrittskasten vorgesehen sind. Durch eine Änderung der Geometrie der internen Struktur werden turbulente Wirbel an sehr kleinen Längenskalen erzeugt. Die Größe der Wirbel und die Qualität der Turbulenz können durch die Geometrie der internen Struktur bestimmt werden.Recognizing that the flow may be laminar, transient or turbulent during different working conditions of the vehicle, it has been confirmed that the flow is turbulent in most working conditions by providing a selected internal structure. The structures may be one of the following (or a combination thereof): a wire mesh, a wire mesh, and a parallel wire frame provided in the inlet box. By changing the geometry of the internal structure, turbulent vortices are generated at very small length scales. The size of the vortex and the quality of the turbulence can be determined by the geometry of the internal structure.
Durch Anpassen der Geometrie der Turbulenz einführenden internen Struktur können turbulente Wirbel an sehr kleinen Längenskalen gebildet werden. Die Größe der Wirbel und die Qualität der Turbulenz können somit durch die Geometrie der Turbulenz einführenden internen Struktur bestimmt werden. Des Weiteren kann die Wärmeübertragung durch Hinzufügen von Rillen oder Warzen auf einer Innenfläche des Ladeluftkühlers aufgrund der erzeugten Verwirbelungen und des intensivierten Mischens erhöht werden. Wenn die Zeitskala des instationären Fluids (d.h., die Turbulenzwirbel) und die Zeitskala von Rillen und Warzen (die Zeit, die die Strömung zum Überqueren der Rillenfläche benötigt) zusammenfallen, erhöht sich die Wärmeleitzahl erheblich. Dieses Verhalten ähnelt einer Resonanz bei der Struktur- oder Schwingungsmechanik.By adjusting the geometry of the turbulence introducing internal structure, turbulent vortices can be formed at very small length scales. The size of the vortices and the quality of the turbulence can thus be determined by the geometry of the turbulence introducing internal structure. Furthermore, the heat transfer can be increased by adding grooves or warts on an inner surface of the intercooler due to the generated turbulence and the intensified mixing. When the time scale of the transient fluid (i.e., turbulence vertebrae) and the time scale of grooves and warts (the time required for the flow to cross the groove area) coincide, the thermal conductivity increases significantly. This behavior is similar to resonance in structural or vibratory mechanics.
Zur Ausnutzung dieser Resonanzwirkung bei dem offenbarten erfinderischen Konzept umfasst der hier offenbarte resonante Ladeluftkühler entweder einen in den Eintrittskasten gepressten langen Draht oder alternativ dazu ein am Eintrittsfenster des Rohrs vorgesehenes Drahtgeflechtsieb. Die Geometrie solcher Strukturen kann dahingehend angepasst werden, Verwirbelungen einzuführen, die fast dieselbe Größe aufweisen wie die durch die Oberflächenwarzen oder -rillen, die an den Wänden der Rohre ausgebildet sind, die den Eintritts- und den Austrittskasten verbinden, erzeugten, wodurch es zu einem Resonanzverhalten kommt und die Wärmeübertragung beträchtlich erhöht wird. Eine Erhöhung der Wärmeübertragung gestattet eine Reduzierung der Größe des Ladeluftkühlers ohne Beeinträchtigung des Kühlungwirkungsgrads.To exploit this resonant effect in the disclosed inventive concept, the resonant intercooler disclosed herein comprises either a long wire pressed into the entry box, or alternatively a wire mesh screen provided at the entrance window of the tube. The geometry of such structures can be adapted to introduce turbulences having nearly the same size as those produced by the surface protrusions or grooves formed on the walls of the tubes connecting the inlet and outlet boxes, thereby creating one Resonance behavior occurs and the heat transfer is considerably increased. An increase in heat transfer allows a reduction in the size of the charge air cooler without affecting the cooling efficiency.
Die oben angeführten Vorteile sowie andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.The above advantages, as well as other advantages and features, will be apparent from the following detailed description of the preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, die in den beiliegenden Zeichnungen detaillierter veranschaulicht und im Folgenden beispielhaft für die Erfindung beschrieben werden; es zeigen:For a better understanding of the present invention, reference will now be made to the embodiments which are illustrated in more detail in the accompanying drawings and are described below by way of example for the invention; show it:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
In den folgenden Figuren werden zur Bezeichnung derselben Komponenten dieselben Bezugszahlen verwendet. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Komponenten für unterschiedlich aufgebaute Ausführungsformen beschrieben. Diese spezifischen Parameter und Komponenten werden beispielhaft angeführt und sollen nicht als Einschränkung aufgefasst werden.In the following figures, the same reference numerals are used to designate the same components. In the following description, various operating parameters and components for differently constructed embodiments will be described. These specific parameters and components are given by way of example and should not be construed as limiting.
Der resonante Ladeluftkühler des offenbarten erfinderischen Konzepts ist in seinen verschiedenen Ausführungsformen in
Mit Bezug auf
Mehrere Kühlmittelrohre
Der resonante Ladeluftkühler
Vorzugsweise sind an dem resonanten Ladeluftkühler
Zur Erzeugung der angemessenen Verwirbelung in den Kühlmittelrohren
Mit Bezug auf
Es sind andere Verwirbelungen einführende Alternativen für die Innenfläche
Während die erhabenen Warzen
Sowohl die Geometrien der erhabenen Warzen
Obgleich in
Mit Bezug auf
Mehrere Kühlmittelrohre
Der resonante Ladeluftkühler
Vorzugsweise sind an dem resonanten Ladeluftkühler
Zur Erzeugung der angemessenen Verwirbelung innerhalb des Eintrittskastens
Wie bei der in
Alternative Strukturen zum Drahtgitter
Als eine Variation der in
Die Dicke der Drähte
Der resonante Ladeluftkühler des offenbarten erfinderischen Konzepts in seinen verschiedenen Ausführungsformen überwindet die Probleme bekannter Systeme durch Bereitstellen eines maximalen Wärmeaustauschs in einem minimalen Raum. Es versteht sich, dass das hier offenbarte resonante System im Bezug auf Ladeluftkühler erörtert wird; die Verwendung von Verwirbelungen herbeiführenden Strukturen bezüglich des Eintrittskastens und der Rohre können ebenso bei anderen Wärmetauschern, darunter unter anderem Kondensatoren, Getriebekühlern und Kühlern, Anwendung finden.The resonant intercooler of the disclosed inventive concept in its various embodiments overcomes the problems of known systems by providing maximum heat exchange in a minimal space. It will be understood that the resonant system disclosed herein with respect to intercoolers is discussed; the use of turbulence inducing structures with respect to the inlet box and the tubes may also find application in other heat exchangers, including, but not limited to, condensers, gearbox coolers, and coolers.
Obgleich die bevorzugten Ausführungsformen des offenbarten erfinderischen Konzepts erörtert werden, in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt werden und in der zugehörigen Beschreibung aufgeführt werden, ist für einen Fachmann aus solch einer Erörterung sowie aus den beiliegenden Zeichnungen und den Ansprüchen leicht zu erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen daran vorgenommen werden können, ohne vom wahren Gedanken und angemessenen Schutzumfang der Erfindung, wie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.Although the preferred embodiments of the disclosed inventive concept are discussed, shown in the accompanying drawings and are set forth in the accompanying description, it will be readily apparent to those skilled in the art from such discussion and from the accompanying drawings and claims that various changes, modifications and other features and variations may be made thereto without departing from the true spirit and scope of the invention as defined by the following claims.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R156 | Lapse of ip right after 3 years |