DE69915431T2 - Integrierter Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeug - Google Patents

Integrierter Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeug Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen kombinierten Wärmetauscher insbesondere für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der EP-A-0 361 358 bekannt.
  • Bei einem Wärmetauscher dieser Art werden die zwei Fluide durch den gleichen, das Bündel überstreichenden Luftstrom gekühlt.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere einen kombinierten Wärmetauscher bei dem das Rohrbündel einerseits in einen Teil, der einen Ölkühler bildet und dessen Rohre von Öl durchlaufen werden können, und andererseits einen Teil, dessen Rohre von einem Kühlfluid durchlaufen werden können, unterteilt sind.
  • Bei einem derartigen Wärmetauscher ist das Öl typischerweise Getriebeöl, insbesondere für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs. Der Kondensator seinerseits dient dazu, das Kühlfluid einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs zu kühlen.
  • Derzeit erfolgen die Kühlung des Kühlfluids und die Kühlung des Getriebeöls durch zwei getrennte Wärmetauscher, üblicherweise einem Kondensator mit Parallelströmung und einem Ölwärmetauscher der Art mit Lamellen, der nahe am Kondensator platziert ist.
  • Es ist entsprechend dem Japanischen Gebrauchsmuster Nr. 61-167202 zudem bekannt, einen kombinierten Wärmetauscher mit einem einen Kondensator bildenden Teil und einem einen Wärmetauscher bildenden Teil herzustellen. Dieser Wärmetauscher umfasst ein gemeinsames Bündel von Rohren, das mit zwei rohrförmigen Sammelkästen verbunden ist.
  • Die Herstellung eines kombinierten Wärmetauschers mit einem einen Ölkühler bildenden Teil und einem einen Kondensator bildenden Teil bringt zahlreiche Probleme mit sich, weil die zwei Kühlfluide sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. So ist die Viskosität des Öls sehr viel größer als diejenige des Kühlmittels und der Wärmeverlust des Öls damit sehr hoch.
  • Die zwei Fluide fließen zudem bei sehr unterschiedlichen Temperaturen; die des Öls ist sehr viel höher als diejenige des Kühlfluids. Diese erheblichen Temperaturunterschiede können das Auftreten von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen bedingen, die den Wärmetauscher schädigen und zu Lecks führen können.
  • Es kann zudem vorkommen, dass das Kühlfluid durch das Öl erwärmt wird, was dann zu einer Verschlechterung der Leistungen des Kondensatorteils führen kann.
  • Die Erfindung liefert eine Lösung für die oben genanten Probleme.
  • Sie schlägt hierzu einen kombinierten Wärmetauscher nach Anspruch 1 vor.
  • Der kombinierte Wärmetauscher der Erfindung umfasst somit unterschiedliche Rohre, das heißt die Rohre des Kondensatorteils sind an die Zirkulation des Kühlfluids angepasst, während die Rohre des Ölkühlerteils an die Zirkulation des Öls angepasst sind.
  • Es ist zudem wesentlich, dass das Produkt der jeweiligen hydraulischen Durchmesser DHa und DHb der Rohre der vorstehenden Ungleichung genügt.
  • Es hat sich nämlich herausgestellt, dass, wenn das Produkt DHa × DHb größer als 3,00 mm2 ist, die auf Höhe jedes der zwei Fluidströme ausgetauschten Wärmeleistung signifikant abfällt. Wenn dieses Produkt zudem kleiner als 0,8 mm2 ist, nimmt der Wärmeverlust des Ölkreislauf zudem sehr stark zu.
  • Die Rohre des Bündels sind vorteilhafterweise mehrkanalige Rohre.
  • Der hydraulische Durchmesser der Rohre des Ölkühlerteils ist vorzugsweise größer als der hydraulische Durchmesser der Rohre des Kondensatorteils.
  • Es ist insbesondere vorteilhaft, dass die Zahl der Kanäle der Rohre des Ölkühlerteils kleiner als die Zahl der Kanäle der Rohre des Kondensatorteils ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Rohre des Ölkühlerteils weniger Trennwände umfassen als die Rohre des Kondensatorteils. Dies gestattet es, den hydraulischen Durchmesser zu erhöhen und so auf erhebliche Weise den durch die Zirkulation des Öls in diesen Rohren bedingten Wärmeverlust zu senken.
  • Die Rohre des Bündels werden vorteilhafterweise durch Extrudieren erhalten.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind die Rohre des Bündels mit zwei Sammelkästen verbunden, die jeweils eine Trennwand umfassen, um das in dem Ölkühlerteil zirkulierende Öl und das in dem Kondensatorteil zirkulierende Kühlfluid zu isolieren.
  • Unter Berücksichtigung der Temperaturunterschiede zwischen diesen zwei Fluiden ist es von Nutzen, Trennwände zu verwenden, die eine Wärmeisolierung bilden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst der Wärmetauscher zwischen den Rohren des Ölkühlerteils und den Rohren des Kondensatorteils Mittel, die eine Wärmesperre bilden.
  • Diese Mittel gestatten es, die Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung zu begrenzen und eine Erwärmung des Kühlfluids durch das Öl zu vermeiden, das sich auf einer viel höheren Temperatur befindet.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die eine Wärmesperre bildenden Mittel ein Rohr des Bündels, das so genannte "inaktive Rohr" oder "tote Rohr", das von keinem Fluid durchflossen wird und das zwischen doppelten Trennwänden jedes Sammelkastens mündet.
  • Bei einer anderen Ausführungsform, bei der gewellte Einschübe zwischen den Rohren des Bündels vorgesehen sind, umfassen die eine Wärmesperre bildenden Mittel einen von gewellten Einschüben freien Bereich, der sich zwischen zwei benachbarten Rohren erstreckt, die dem Ölkühlerteil beziehungsweise dem Kondensatorteil angehören.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden das Bündel und die Sammelkästen durch Hartlöten zusammengebaut.
  • Der kombinierte Wärmetauscher der Erfindung kann auf diese Weise entsprechend der gut bekannten Technologie für hartgelötete Wärmetauscher hergestellt werden, wie sie zum Beispiel bei der Herstellung von Kondensatoren verwendet wird.
  • In der folgenden Beschreibung, die im Sinne eines Beispiels erfolgt, wird auf die folgende beigefügte Zeichnung Bezug genommen:
  • 1 ist eine Längsschnittansicht eines kombinierten Wärmetauschers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 ist eine Schnittansicht eines Rohrs des Ölkühlerteils im vergrößerten Maßstab;
  • 3 ist eine Schnittansicht eines Rohrs des Kondensatorteils im vergrößerten Maßstab;
  • 4 ist eine Teilansicht eines kombinierten Wärmetauschers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt; und
  • 5 eine Teilansicht eines kombinierten Wärmetauschers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt.
  • Der in 1 dargestellte kombinierte Wärmetauscher umfasst ein Bündel 10, das auch als Körper bezeichnet wird und aus einer Mehrzahl von Rohren 12 zusammengesetzt ist, die sich parallel zueinander erstrecken und zwischen denen gewellte Einschübe 14 angeordnet sind, die Kühlflügel bilden. Die Enden der Rohre 12 münden an einem Ende in einen gemeinsamen Sammelkasten 16 und an einem anderen Ende in einen gemeinsamen Sammelkasten 18. Diese zwei Sammelkästen sind von rohrförmiger Konfiguration und erstrecken sich parallel zueinander.
  • Die verschiedenen Bauteile des Wärmetauschers, das heißt die Rohre 12, die Flügel und die Sammelkästen 16 und 18 sind aus Metall und werden durch Hartlöten zusammengefügt.
  • Das Bündel ist in zwei Teile geteilt, nämlich einen eine Teil A, der den Ölkühler bildet und aus den Rohen 12a besteht, und den Teil B, der einen Kondensator bildet und aus den Rohren 12b besteht. Die Rohre 12a sind dafür geeignet, von dem Öl H durchlaufen zu werden, wie beispielsweise dem Getriebeöl für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs. Die Rohre 12 sind dafür geeignet, von einem Kühlfluid R einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs durchlaufen zu werden. Es versteht sich, dass diese zwei Fluide in zwei unterschiedlichen Teilen des Bündels fließen und von ein und demselben Luftstrom überstrichen werden sollen, der das Bündel 10 überstreicht.
  • Die Sammelkästen 16 und 18 weisen jeweils isolierende Trennwände 20 und 22 auf, um die zwei Fluide voneinander zu isolieren.
  • Die Trennwand 20 unterteilt den Sammelkasten 16 in einen Teilraum 24 für das Öl (der hier im oberen Teil platziert ist) und einen Teilraum 26 für das Kühlfluid (der hier im unteren Teil platziert ist). Auf entsprechende Weise unterteilt die Trennwand 22 den Sammelkasten 18 in einen Teilraum 28 für das Öl (der hier im oberen Teil platziert ist) und einen Teilraum 30 für das Kühlfluid (der hier im unteren Teil platziert ist).
  • Das zu kühlende Öl dringt durch ein Eintrittsrohr 32 in den Teilraum 24 ein, fließt dann in den Rohren 12a als Parallelstrom, um den Teilraum 28 zu erreichen. Es verlässt dann den Teilraum 28 durch ein Austrittsrohr 34.
  • Der Teilraum 26 ist seinerseits durch eine Trennwand 40 in zwei Teile unterteilt, nämlich einen oberen Teil 36 und einen unteren Teil 38. Ebenso ist der Teilraum 30 des Sammelkastens 18 seinerseits durch eine Trennwand 46 in zwei Teile unterteilt, nämlich einen oberen Teil 42 und einen unteren Teil 44. Das Kühlfluid R dringt in den Teilraum 36 durch ein Rohr 48 ein, fließt in einem Teil der Rohre 12b, um zu dem Teilraum 42 zu gelangen, und fließt dann in entgegengesetzter Richtung, um den Teilraum 38 zu erreichen. Das Kühlfluid erreicht dann den Teilraum 44, indem es von neuem in entgegengesetzter Richtung fließt, und verlässt den Wärmetauscher durch ein Austrittsrohr 50. Das Kühlfluid R fließt in diesem Beispiel somit auf alternierende Weise entsprechend einem Modus mit drei Durchgängen.
  • Es ist wichtig, dass die Trennwände 20 und 22 eine Wärmeisolierung bilden, da das Öl H sich auf einer sehr viel höheren Temperatur befindet als das Kühlfluid R.
  • Die Rohre 12a und 12b (2 und 3) sind mehrkanalige, flache Rohre, die durch Extrusion aus einer geeigneten Metalllegierung im Allgemeinen auf Aluminiumbasis erhalten werden.
  • In dem Beispiel umfasst jedes Rohr 12a (2) zwei durch eine Trennwand 54 getrennte Rohre 52, während jedes Rohr 12b (3) vier durch drei Trennwände 58 getrennte Kanäle 56 umfasst.
  • Die Rohre 12a und 12b weisen jedoch den gleichen Außenquerschnitt auf; dies gestattet eine Standardisierung der Fertigung in dem Sinne, dass die Enden der Rohre in identischen, in den Sammelkästen 16 und 18 ausgebildeten Löchern aufgenommen werden.
  • Die Rohre 12a und 12b weisen hydraulische Durchmesser DH, DHa beziehungsweise DHb, auf.
  • Es sei hier daran erinnert, dass der hydraulische Durchmesser DH eines Rohres durch die Formel DH = 4S/P definiert ist, wobei S die Fläche des Innenquerschnitts des Rohrs (hier ausgedrückt in mm2) und P den Innendurchmesser bezeichnet, der auch als "Feuchtdurchmesser" des Rohres bezeichnet wird (hier ausgedrückt in mm).
  • Die Rohre 12a und 12b weisen somit geeignete Merkmale auf, die es gestatten an die Kühlung des Öls beziehungsweise die Kühlung des Kühlfluids anzupassen. Weil die Rohre 12a weniger Kanäle (und damit weniger Trennwände) aufweisen als die Rohre 12b, ist der hydraulische Durchmesser der Rohre 12a erhöht, wodurch es ermöglicht wird, den durch die Zirkulation des Öls in den Rohren 12a erzeugten Wärmeverlust erheblich zu senken.
  • Erfindungsgemäß weist das Produkt DHa × DHb einen Wert auf, der in ein durch die folgende Ungleichung definiertes Intervall fällt: 0,8 mm2 ≤ DHa × DHb ≤ 3,0 mm2.
  • Wenn diese Ungleichung eingehalten wird, erhält man einen kombinierten Wärmetauscher, bei dem die auf Höhe jedes der zwei Fluide ausgetauschte Wärmeleistung optimal ist, während der Wärmeverlust des Ölkreislaufs begrenzt ist.
  • Weil die Rohre 12a und 12b von Fluiden mit unterschiedlichen Temperaturen durchflossen werden, besteht, wie zuvor angegeben, die Gefahr, dass Effekte einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung auftreten können und Spannungen bewirken, insbesondere auf Höhe der Lötverbindungen zwischen den Rohren und den Sammelkästen.
  • Bei der Ausführungsform der 1 sind insbesondere isolierende Trennwände 20 und 22 vorgesehen, die vorteilhafterweise doppelte Trennwände sein können.
  • Es wird nun auf 4 Bezug genommen, die eine andere Ausführungsform der Erfindung mit Mitteln zeigt, die eine Wärmebarriere zwischen den Rohren 12a und 12b bilden.
  • Bei dieser Ausführungsform umfasst das Bündel 10 ein inaktives Rohr 12i, das auch "totes Rohr" genannt wird und von keinem Fluid durchlaufen wird und zwischen einer doppelten Trennwand 20 des Sammelkastens 16 und einer doppelten Trennwand 22 des Sammelkastens 18 mündet.
  • Der Wärmetauscher der 5 umfasst andere, eine Wärmebarriere formende Mittel. Das Bündel ist hierzu so ausgebildet, dass es einen von gewellten Einschüben freien Bereich 60 umfasst, der sich zwischen den Teilen A und B des Bündels erstreckt, das heißt zwischen zwei benachbarten Rohren 12a und 12b, die diesen zwei Teilen A und B angehören.
  • Bei einer Ausführungsform weisen die Rohre 12a und 12b jeweils eine Länge von 600 mm auf. Der hydraulische Durchmesser DHa von jedem der Rohre 12a ist gleich 1,6, während der hydraulische Durchmesser DHb von jedem der Rohre 12b gleich 1,313 ist, so dass das Produkt DHa × DHb gleich 2,1 ist.
  • Die Erfindung ist natürlich nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und erstreckt sich auf andere Varianten.

Claims (11)

  1. Kombinierter Wärmetauscher mit einem Bündel (10) von Rohren (12), die mit Sammelkästen (16, 18) verbunden sind und einerseits in einen Teil (A), der einen Ölkühler bildet und dessen Rohre (12a) von einem ersten Fluid durchlaufen werden können, nämlich von Öl (H), und andererseits einen Teil (B) unterteilt sind, dessen Rohre (12b) von einem zweiten Fluid durchlaufen werden können, wobei die Rohre (12a) des ersten Teils (A) und die Rohre (12b) des zweiten Teils (B) unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (B) ein Kondensator ist, dessen Rohre (12b) von einem Kühlfluid (R) durchflossen werden können, und dass die Rohre (12a) des Ölkühlerteils (A) und die Rohre (12b) des Kondensatorteils (B) jeweils hydraulische Durchmesser (DHa, DHb) besitzen, die durch folgende Ungleichungen verknüpft sind: 0,8 mm2≤ DHa × DHb≤ 3,00 mm2 DHa > DHbwobei der hydraulische Durchmesser (DH) eines Rohrs durch die Formel DH = 4S/P definiert ist, in der S die Grundfläche des Querschnitts des Rohrs, ausgedrückt in mm2, und P der Innendurchmesser oder "feuchte Durchmesser" des Rohres, ausgedrückt in mm, ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er nur zwei Sammelkästen (16, 18) umfasst.
  3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (12a, 12b) des Bündels (10) mehrkanalige Rohre sind.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl von Kanälen (52) der Rohre (12a) des Ölkühlerteils (A) kleiner als die Zahl von Kanälen (56) der Rohre (12b) des Kondensatorteils (B) ist.
  5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (12a, 12b) des Bündels durch Extrudieren erhalten werden.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkästen (16, 18) jeweils eine Trennwand (20, 22) umfassen, um das in dem Ölkühlerteil (A) zirklierende Öl (H) und das in dem Kondensatorteil (B) zirklierende Kühlfluid zu isolieren.
  7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmesperre bildende Mittel zwischen den Rohren (12a) des Ölkühlerteils (A) und den Rohren (12b) des Kondensatorteils (B) vorgesehen sind.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Wärmesperre bildenden Mittel ein Rohr (12i) des Bündels umfassen, das sogenannte "inaktive Rohr" oder "tote Rohr", das von keinem Fluid durchflossen wird und das zwischen doppelten Trennwänden (20, 22) jedes Sammelkastens (16, 18) mündet.
  9. Wärmetauscher nach Anspruch 7, bei dem gewellte Einschübe (14) zwischen den Rohren des Bündels vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Wärmesperre bildenden Mittel einen von gewellten Einschüben freien Bereich (60) umfassen, der sich zwischen zwei benachbarten Rohren (12a, 12b) erstreckt, die dem Ölkühlerteil (A) beziehungsweise dem Kondensatorteil (B) angehören.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel (10) von Rohren (12) und die Sammelkästen (16, 18) durch Hartlöten zusammengebaut werden.
  11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher ein Getriebeölkühler eines Automatikgetriebes ist.
DE69915431T 1998-11-20 1999-11-10 Integrierter Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeug Revoked DE69915431T2 (de)

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