EP2064510B1 - Zweiflutiger wärmeübertrager mit integriertem bypasskanal - Google Patents

Zweiflutiger wärmeübertrager mit integriertem bypasskanal Download PDF

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EP2064510B1
EP2064510B1 EP07818062.7A EP07818062A EP2064510B1 EP 2064510 B1 EP2064510 B1 EP 2064510B1 EP 07818062 A EP07818062 A EP 07818062A EP 2064510 B1 EP2064510 B1 EP 2064510B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
passage
exchanger according
coolant
flow
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP07818062.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2064510A1 (de
Inventor
Florian Finck
Hubert Pomin
Klaus Hassdenteufel
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Mahle Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2064510A1 publication Critical patent/EP2064510A1/de
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D1/05375—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with particular pattern of flow, e.g. change of flow direction
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    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
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    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Such heat exchangers which have a heat exchanger block, called block for short, with parallel flow channels are known, for. B. as a coolant / air cooler in motor vehicles. Through the flow channels flows to be cooled medium, for. B. the coolant of a cooling circuit of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the coolant is preferably cooled by air (ambient air), with secondary exchange surfaces in the form of ribs.
  • different flow patterns are known, e.g. B. downdraft cooler or cross-flow cooler with one or two flow threads. In the latter case, the flow through the block is U-shaped.
  • two manifolds are provided on the block, wherein the first has an inlet and an outlet chamber and the second is designed as a deflection box.
  • the deflection of the flow is thus "in the width", ie in the longitudinal direction of the deflection box.
  • the division of the block in a first and a second passage is usually 50:50, so that the flow velocities in the tubes of both block halves are equal.
  • the flow direction of the cooling air is perpendicular to the flow direction of To be cooled medium - thus the heat transfer takes place in the cross flow.
  • the temperature of the medium in the tubes of the first passage is higher than the temperature of the medium in the second passage due to the cooling.
  • a heat exchanger for internal combustion engines trained heat exchanger which consists of a rib / tube block, an upper and a lower box and side panels, which are formed as flow channels and flows through the coolant.
  • the medium to be cooled is removed from the boxes and thus cools the side parts, which thereby obtain a lower component temperature. This avoids excessive temperature differences between cooling tubes and side panels and increased thermal stresses.
  • a bypass to be assigned to the first passage of the heat exchanger, that is to say for the first U-leg of the flow path, that is to say for the first passage.
  • H. a portion of the medium to be cooled is branched off before entering the first passage of the heat exchanger, passed through the bypass and uncooled after the first passage or before the second passage of the main flow fed again.
  • the block of the heat exchanger are advantageously associated with a first collection box with inlet and outlet chamber and a second collection box in the form of a deflection box.
  • the bypass channel extends in this case between inlet chamber and deflection box, wherein the local entry of the bypass channel into the deflection box can be made variable, ie depending on the desired temperature increase in the second passage.
  • the inlet of the bypass channel into the deflection box can be at the level of a partition which separates the inlet and outlet chambers from one another.
  • the heat exchanger has in this case preferably horizontally extending flow channels and vertically arranged Collecting boxes on.
  • the deflection box has an inlet opening.
  • the bypass channel opens into the deflection box.
  • the bypass channel and / or the deflection box leads only slightly cooled medium.
  • the bypass channel is arranged in the deflection box. Slightly cooled medium enters the deflection box via an inlet opening. The closer the inlet opening of the bypass channel is placed to the inlet to the second passage, the less mixing takes place with the cooled medium of the first passage, and the more an increase in the temperature takes place in the second passage.
  • the division of the block into a first passage and a second passage can be made 1: 1, but also deviating. With the same distribution, essentially the same flow rates result in both passes.
  • the flow velocity in the bypass channel is higher and can be adjusted to the desired value by dimensioning its cross section or flow resistance. The higher the flow velocity in the bypass channel, the faster the temperature front of the hot medium reaches the deflection box or the entrance to the second passage. Thus, suddenly occurring temperature increases of the medium to be cooled and the associated increased temperature differences between the first and second passage can be compensated, since the temperature fronts run in the first and in the second passage against each other.
  • the bypass channel may be formed as a separate bypass line to the heat exchanger or integrated into the heat exchanger.
  • the latter is done according to the invention by integration of the bypass channel in a side part of the heat exchanger.
  • the side part as a flow channel, that is hollow and is in flow communication with the inlet box and the deflection box.
  • the heat exchanger is designed as a coolant / air cooler in the coolant circuit of an internal combustion engine for a motor vehicle.
  • the radiator block consists of tubes and ribs through which coolant can flow and which are acted upon by the ambient air.
  • the rib / tube block can be machined or formed as a brazed block.
  • the collecting boxes can be made of plastic or metal, in particular aluminum, for example in the case of all-aluminum coolers.
  • the bypass line has a diameter in the range of 7 to 16 mm.
  • the proportion of throughput through the bypass in the total throughput through the radiator is thus between 10 and 25%.
  • Fig. 1 shows a constructed as a coolant / air cooler heat exchanger 1 according to the prior art.
  • the coolant radiator 1 hereinafter referred to as radiator for short, is arranged as a cross-flow radiator in a coolant circuit, not shown, for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the radiator 1 has a radiator block 2, hereinafter referred to as block 2, on which not shown horizontally extending tubes (flow channels) and arranged on the outside of the tubes, also not shown ribs. Tubes and ribs are preferably in a block, that is soldered to the block 2. However, other constructions, such. As mechanically manufactured round or oval tube systems into consideration.
  • the block 2 is flowed through in the direction of an arrow A as a result of the partition wall 3a from the coolant, which enters through a inlet nozzle 3d in the inlet chamber 3b, first in a first, in the drawing above passage 2a (first pipe group).
  • the coolant is deflected in the deflection box 4, then flows back through a second, located in the drawing below passage 2b (second group of tubes) in the direction of arrow B, enters the outlet chamber 3c and exits through an outlet nozzle 3e the radiator 1.
  • Die Both passages or pipe groups 2a, 2b are separated by a dashed line m at the level of the partition wall 3a.
  • the coolant flowing through the tubes is cooled by ambient air which flows through the block 2 perpendicular to the plane of the drawing.
  • Fig. 2 shows a heat exchanger 5 according to the invention, which is also designed as a coolant / Beerkohler for a motor vehicle and the known radiator 1 according to the prior art - therefore, for matching parts of the radiator 5, the reference numbers of the radiator 1 from Fig. 1 accepted.
  • the cooler 5 has - deviating from the known cooler 1 - a bypass line 6, which bypasses the first passage 2a of the block 2, without causing the coolant is cooled.
  • the incoming coolant flow is indicated by an arrow V E , the exitingdemitteistrom by an arrow V A.
  • the bypass line 6 thus branches off before or in the inlet chamber 3b and is connected via an inlet opening 7 with the deflection box 4.
  • the bypass line 6 can be used as a separate line, z. B. a pipe or what is not shown in the drawing - be integrated into the cooler 5. This is inventively achieved in a cooler with side parts, wherein a side part, which rests against the block half of the first passage, is hollow and formed as a flow channel and is flowed through by the coolant from the inlet chamber to the deflection box.
  • the inlet opening 7 is preferably arranged in a region b, which differs in each case by about 15% of the width of the block 2 to both sides of the line m.
  • the inlet opening or entry point 7 is to be understood as the point where the bypass flow (the coolant flow through the bypass channel 6) meets the coolant flow in the deflection box 4 and both flows mix.
  • the diameter of the bypass line for a radiator is in a range of 7 - 16 mm - the proportion of bypass flow in the total throughput through the radiator 5 can thus be adjusted between 10% and 25%.
  • the inlet opening 7 in the deflection box 4 is in the drawing, d. H. in a preferred embodiment, located above the line m which separates the first passageway 2a located at the top from the second passage 2b located at the bottom of the drawing. Since the first passage 2a and the second passage 2b have the same number of tubes (not shown) having the same flow cross-sections, the upper and lower block halves 2a, 2b are the same. However, it is also within the scope of the invention, the flow cross-sections of the passages 2a, 2b differing from 50: 50, z. B. 40:60 interpreted.
  • bypass flow d. H. the proportion of the coolant flowing through the bypass line 6 and the re-entry of the virtually uncooled coolant in the central region of the deflection box 4, hot or relatively uncooled coolant is supplied to the second passage 2b, so that the temperature of the coolant in the second passage 2b increases.
  • Fig. 3 shows a diagram in which the inlet temperature T E of the coolant, ie the coolant flow V E , is plotted over the time t.
  • the illustrated temperature curve is based on the following two operating states in the vehicle: In the first operating state (short-circuit operation), the thermostat of the coolant circuit (not shown) is closed and the engine runs in the partial load range. The coolant cooler cools the coolant to near ambient temperature (T1). The volume flow in the cooler is zero or very low in this operating state. In the second operating state, the engine is under load, so it is deprived of more heat, ie the thermostat opens. The volume flow increases and coolant flows into the cooler at a temperature T2 which is higher than T1.
  • T1 is the low coolant inlet temperature
  • T2 represents the increased coolant inlet temperature which, as mentioned above, may occur with an increase in engine load.
  • the trace which represents the time dependence of the temperature T E of the time t is the delay with which propagates a temperature increase from T1 to T2 at the cooler inlet to the deflection box.
  • the upper block 2a of the cooler has, in particular, at the entrance, in a temperature jump, substantially the hatched area A, in which the coolant in the tubes has reached the inlet temperature T2.
  • T2>T> T1 cold coolant and hot coolant are mixed together.
  • the entry point 7 is advantageously arranged in the range of ⁇ 15% of the radiator width relative to the position of the partition wall (line m). Due to the bypass flow and its entry in the region of the line m, coolant with the elevated temperature T2 is led directly to the inlet of the second passage 2b. As a result, a temperature distribution or a temperature front is formed, which is modeled (idealized) by a hatched area 8.
  • the region with increased coolant inlet temperature T2 in the first passage is also hatched and provided with the reference number 9.
  • the hatched areas 8, 9 form areas A u and A o , which correspond to the coolant volumes with the temperature T2.
  • Fig. 4 is the corresponding hatched area of the temperature T2 labeled A.
  • A A o + A u .
  • the diagram shows that the temperature fronts of the region 9 (A o ) in the first pass and the region 8 (A u ) in the second pass against each other, ie to run towards each other.
  • the time lag between the temperature rise in the box 3a and the box 4 at the point 7 can be varied and adjusted.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show an embodiment of an inlet pipe 21.
  • the inlet pipe 21 is connected to the bypass channel 6 by means of a pipe flange 20 and serves to introduce the coolant from the bypass channel 6 in the deflection box 4.
  • the inlet pipe 21 protrudes at least partially into the diverter 4.
  • the inlet pipe 21 is at least bent and / or has at least one opening 22 for introducing the coolant from the bypass channel 6.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Derartige Wärmeübertrager, die einen Wärmeübertragerblock, kurz Block genannt, mit parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen aufweisen, sind bekannt, z. B. als Kühlmittel/Luftkühler bei Kraftfahrzeugen. Durch die Strömungskanäle strömt ein zu kühlendes Medium, z. B. das Kühlmittel eines Kühlkreislaufes einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Das Kühlmittel wird vorzugsweise von Luft (Umgebungsluft) gekühlt, wobei Sekundäraustauschflächen in Form von Rippen vorgesehen sein können. Für einen derartigen Block sind unterschiedliche Strömungsmuster bekannt, z. B. Fallstromkühler oder Querstromkühler mit einem oder zwei Strömungsfäden. In letzterem Falle erfolgt die Durchströmung des Blockes U-förmig. Hierzu sind zwei Sammelkästen am Block vorgesehen, wobei der erste eine Einund eine Austrittskammer aufweist und der zweite als Umlenkkasten ausgebildet ist. Die Umlenkung der Strömung erfolgt somit "in der Breite", d. h. in Längsrichtung des Umlenkkastens. Die Aufteilung des Blockes in einen ersten und einen zweiten Durchgang erfolgt in der Regel 50 : 50, so dass die Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren beider Blockhälften gleich sind. Die Strömungsrichtung der Kühlluft ist senkrecht zur Strömungsrichtung des zu kühlenden Mediums - somit erfolgt die Wärmeübertragung im Kreuzstrom. Die Temperatur des Mediums in den Rohren des ersten Durchganges ist infolge der Abkühlung höher als die Temperatur des Mediums im zweiten Durchgang. Im Vergleich zu einem Parallelstromkühler (wobei der gesamte Block in einer Richtung durchströmt wird) ergeben sich durch die Umlenkung erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten in den Strömungskanälen, die zu einem verbesserten Wärmeübergang bei kleinen Kühlmitteldurchsätzen führen. Durch die Temperaturdifferenz der Rohre im ersten und zweiten Durchgang ergeben sich unterschiedliche Ausdehnungen der Rohre, welche zu thermischen Spannungen im Wärmeübertrager führen. Insbesondere bei einer Erhöhung der Kühlmitteleintrittstemperatur in Folge einer höheren Motorlast ergibt sich eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen erstem und zweiten Durchgang des Blockes, weil bei einem derartigen instationären Vorgang eine zeitliche Verzögerung auftritt, mit der das Medium die beiden Durchgänge nacheinander durchläuft.
  • Durch die DE 197 22 099 B4 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager bekannt, welcher einen Sammelkasten mit eingesetzter Trennwand sowie Ein- und Austrittsstutzen aufweist. Damit wird eine U-förmige Durchströmung des Wärmeübertragers ermöglicht, welche zu den oben erwähnten Temperaturdifferenzen im ersten und zweiten Strömungsdurchgang führen.
  • Durch die DE 35 12 891 C2 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager für Verbrennungskraftmaschinen ausgebildeter Wärmeübertrager bekannt, welcher aus einem Rippen/Rohr-Block, einem oberen sowie einem unteren Kasten und Seitenteilen besteht, welche als Strömungskanäle ausgebildet und vom Kühlmittel durchströmt werden. Das zu kühlende Medium wird den Kästen entnommen und kühlt somit die Seitenteile, die dadurch eine geringere Bauteiltemperatur erhalten. Damit werden zu hohe Temperaturdifferenzen zwischen Kühlrohren und Seitenteilen und erhöhte Thermospannungen vermieden.
  • Durch die US 3450197 A1 ist ein Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Ausgehend von einem U-förmig durchströmbaren Wärmeübertrager, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, thermische Spannungen, hervorgerufen durch Temperaturdifferenzen im Wärmeübertrager, insbesondere in dessen Strömungskanälen zu vermeiden bzw. zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass dem ersten Durchgang des Wärmeübertragers, also dem ersten U-Schenkel des Strömungsverlaufes ein Bypass zugeordnet ist, d. h. ein Anteil des zu kühlenden Mediums wird vor Eintritt in den ersten Durchgang des Wärmeübertragers abgezweigt, durch den Bypass geleitet und ungekühlt nach dem ersten Durchgang bzw. vor dem zweiten Durchgang der Hauptströmung wieder zugeführt. Damit wird der Vorteil erreicht, dass die Temperatur im zweiten Durchgang angehoben und damit die Temperaturdifferenz verringert wird. Damit werden auch die thermisch bedingten Spannungen in den Strömungskanälen, beispielsweise Rohren und Rohrbodenverbindungen reduziert.
  • Dem Block des Wärmeübertragers sind vorteilhafterweise ein erster Sammelkasten mit Ein- und Austrittskammer sowie ein zweiter Sammelkasten in Form eines Umlenkkastens zugeordnet. Der Bypasskanal erstreckt sich in diesem Falle zwischen Eintrittskammer und Umlenkkasten, wobei der lokale Eintritt des Bypasskanals in den Umlenkkasten variabel gestaltet werden kann, d. h. abhängig von der gewünschten Temperaturerhöhung im zweiten Durchgang. Vorzugsweise kann der Eintritt des Bypasskanals in den Umlenkkasten auf der Höhe einer Trennwand liegen, welche Eintritts- und Austrittskammer voneinander trennt. Der Wärmeübertrager weist in diesem Falle vorzugsweise horizontal verlaufende Strömungskanäle und senkrecht angeordnete Sammelkästen auf. Der Umlenkkasten weist eine Eintrittsöffnung auf. Der Bypasskanal mündet in den Umlenkkasten. Der Bypasskanal und/oder der Umlenkkasten führt nur geringfügig abgekohltes Medium. Der Bypasskanal ist im Umlenkkasten angeordnet. Über eine Eintrittsöffnung gelangt geringfügig abgekühltes Medium in den Umlenkkasten. Je näher die Eintrittsöffnung des Bypasskanals an den Eintritt zum zweiten Durchgang gelegt wird, desto weniger findet eine Vermischung mit dem abgekühlten Medium des ersten Durchganges statt und umso mehr eine Anhebung der Temperatur im zweiten Durchgang statt.
  • Die Aufteilung des Blockes in einen ersten Durchgang und einen zweiten Durchgang kann 1:1, aber auch davon abweichend erfolgen. Bei gleicher Aufteilung ergeben sich in beiden Durchgängen im Wesentlichen gleiche Strömungsgeschwindigkeiten. Die Strömungsgeschwindigkeit im Bypasskanal dagegen ist höher und kann durch Bemessung dessen Querschnittes oder Strömungswiderstandes auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit im Bypasskanal ist, umso schneller erreicht die Temperaturfront des heißen Mediums den Umlenkkasten bzw. den Eintritt zum zweiten Durchgang. Damit können plötzlich auftretende Temperaturerhöhungen des zu kühlenden Mediums und die damit verbundenen erhöhten Temperaturdifferenzen zwischen erstem und zweiten Durchgang kompensiert werden, da die Temperaturfronten im ersten und im zweiten Durchgang gegeneinander laufen.
  • Der Bypasskanal kann als separate Bypassleitung zu dem Wärmeübertrager ausgebildet oder in den Wärmeübertrager integriert sein. Letzteres erfolgt erfindungsgemäß durch Integration des Bypasskanals in ein Seitenteil des Wärmeübertragers. Dabei ist das Seitenteil als Strömungskanal, d. h. hohl ausgebildet und steht in Strömungsverbindung mit dem Eintrittskasten und dem Umlenkkasten.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeübertrager als Kühlmittel/Luftkühler im Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Der Kühlerblock besteht dabei in der Regel aus von Kühlmittel durchströmbaren Rohren und Rippen, welche durch die Umgebungsluft beaufschlagt werden. Der Rippen/Rohr-Block kann mechanisch gefertigt oder als gelöteter Block ausgebildet sein. Die Sammelkästen können aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Aluminium wie beispielsweise bei Ganzaluminiumkühlern hergestellt sein.
  • Vorteilhafterweise weist die Bypassleitung einen Durchmesser im Bereich von 7 bis 16 mm auf. Der Anteil des Durchsatzes durch den Bypass am gesamten Durchsatz durch den Kühler beträgt damit zwischen 10 und 25 %.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    einen Kühlmittelkühler mit U-förmiger Strömungsumlenkung nach dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    einen erfindungsgemäßen Kohlmittelkühler mit Bypassleitung,
    Fig. 3
    ein Temperatur/Zeit-Diagramm,
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung von Temperaturfronten bei einem Kühler nach dem Stand der Technik,
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung der Temperaturfronten bei einem erfindungsgemäßen Kühler,
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung eines Einleitungsrohres zur Einleitung des Kühlmittels aus der Bypassleitung und
    Fig. 7
    eine weitere Ansicht zur schematischen Darstellung eines Einleitungsrohres zur Einleitung des Kühlmittels aus der Bypassleitung.
  • Fig. 1 zeigt einen als Kühlmittel/Luftkühler ausgebildeten Wärmeübertrager 1 nach dem Stand der Technik. Der Kühlmittelkühler 1, im Folgenden kurz Kühler genannt, ist als Querstromkühler in einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Der Kühler 1 weist einen Kühlerblock 2, im Folgenden kurz Block 2 genannt, auf, welcher nicht dargestellte horizontal verlaufende Rohre (Strömungskanäle) sowie auf der Außenseite der Rohre angeordnete, ebenfalls nicht dargestellte Rippen aufweist. Rohre und Rippen sind vorzugsweise zu einem Block, d. h. dem Block 2 verlötet. Allerdings kommen auch andere Bauweisen, z. B. mechanisch gefertigte Rund- oder Ovalrohrsysteme in Betracht. Die Rohrenden der nicht dargestellten Rohre münden jeweils in Sammelkästen 3, 4, wobei der erste Sammelkasten 3 durch eine Trennwand 3a in eine Eintrittskammer 3b und eine Austrittskammer 3c unterteilt ist, während der zweite Sammelkasten 4 keine Trennwand aufweist, sondern als Umlenkkasten ausgebildet ist. Der Block 2 wird infolge der Trennwand 3a vom Kühlmittel, welches durch einen Eintrittsstutzen 3d in die Eintrittskammer 3b eintritt, zunächst in einem ersten, in der Zeichnung oben gelegenen Durchgang 2a (erste Rohrgruppe) in Richtung eines Pfeils A durchströmt. Danach wird das Kühlmittel im Umlenkkasten 4 umgelenkt, strömt dann durch einen zweiten, in der Zeichnung unten gelegenen Durchgang 2b (zweite Rohrgruppe) in Richtung eines Pfeils B zurück, tritt in die Austrittskammer 3c ein und verlässt über einen Austrittsstutzen 3e den Kühler 1. Die beiden Durchgänge bzw. Rohrgruppen 2a, 2b sind durch eine gestrichelte Linie m in Höhe der Trennwand 3a getrennt. Das die Rohre durchströmende Kühlmittel wird durch Umgebungsluft, welche senkrecht zur Zeichenebene den Block 2 durchströmt, gekühlt.
  • Vorteilhaft bei dieser Anordnung sind einerseits eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels infolge der Umlenkung und damit ein verbesserter Wärmeübergang. Andererseits kann bei bestimmten Einbaubedingungen die Anordnung von Kühlmitteleintritts- und -austrittsstutzen auf derselben Seite bzw. an demselben Sammelkasten vorteilhaft sein.
  • Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 5, der ebenfalls als Kühlmittel/Luftkohler für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist und dem bekannten Kühler 1 nach dem Stand der Technik entspricht - daher werden für übereinstimmende Teile des Kühlers 5 die Bezugszahlen des Kühlers 1 aus Fig. 1 übernommen. Der Kühler 5 weist - abweichend vom bekannten Kühler 1 - eine Bypassleitung 6 auf, welche den ersten Durchgang 2a des Blockes 2 umgeht, ohne dass dabei das Kühlmittel gekühlt wird. Der eintretende Kühlmittelstrom ist durch einen Pfeil VE, der austretende Kühlmitteistrom durch einen Pfeil VA gekennzeichnet. Die Bypassleitung 6 zweigt also vor oder in der Eintrittskammer 3b ab und ist über eine Eintrittsöffnung 7 mit dem Umlenkkasten 4 verbunden. Die Bypassleitung 6 kann als separate Leitung, z. B. eine Rohrleitung ausgebildet oder-was nicht in der Zeichnung dargestellt ist - in den Kühler 5 integriert sein. Dies wird erfindungsgemäß bei einem kühler mit Seitenteilen erreicht, wobei ein Seitenteil, welches an der Blockhälfte des ersten Durchganges anliegt, hohl und als Strömungskanal ausgebildet ist und vom Kühlmittel von der Eintrittskammer bis zum Umlenkkasten durchströmt wird.
  • Die Eintrittsöffnung 7 ist vorzugsweise in einem Bereich b angeordnet, der jeweils um etwa 15 % der Breite des Blockes 2 nach beiden Seiten von der Linie m abweicht. Unter Eintrittsöffnung oder Eintrittspunkt 7 soll die Stelle verstanden werden, wo der Bypassstrom (die Kühlmittelströmung durch den Bypasskanal 6) auf den Kühlmittelstrom im Umlenkkasten 4 trifft und beide Ströme sich mischen.
  • Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt der Durchmesser der Bypassleitung für einen Kühler in einem Bereich von 7 - 16 mm - der Anteil der Bypassströmung am gesamten Durchsatz durch den Kühler 5 lässt sich damit zwischen 10 % und 25 % einstellen.
  • Die Eintrittsöffnung 7 im Umlenkkasten 4 ist in der Zeichnung, d. h. bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, oberhalb der Linie m angeordnet, die den ersten, in der Zeichnung oben gelegenen Durchgang 2a von dem zweiten, in der Zeichnung unten gelegenen Durchgang 2b trennt. Da der erste Durchgang 2a und der zweite Durchgang 2b die gleiche Anzahl von (nicht dargestellten) Rohren mit gleichen Strömungsquerschnitten aufweisen, sind die obere und die untere Blockhälfte 2a, 2b gleich. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, die Strömungsquerschnitte der Durchgänge 2a, 2b abweichend von 50 : 50, z. B. 40 : 60 auszulegen.
  • Durch die Bypassströmung, d. h. den Anteil des durch die Bypassleitung 6 strömenden Kühlmittels und den Wiedereintritt des praktisch ungekühlten Kühlmittels im mittleren Bereich des Umlenkkastens 4 wird dem zweiten Durchgang 2b heißes bzw. relativ ungekühltes Kühlmittel zugeführt, sodass die Temperatur des Kühlmittels im zweiten Durchgang 2b ansteigt. Diese erfindungsgemäße Wirkung der Bypassströmung wird im Folgenden näher erläutert.
  • Fig. 3 zeigt ein Diagramm, bei welchem die Eintrittstemperatur TE des Kühlmittels, also des Kühlmittelstromes VE, aufgetragen ist über der Zeit t. Dem dargestellten Temperaturverlauf liegen folgende beiden Betriebszustände im Fahrzeug zu Grunde: Bei dem ersten Betriebszustand (Kurzschlussbetrieb) ist der (nicht dargestellte) Thermostat des Kühlmittelkreislaufes geschlossen, der Motor läuft im Teillastbereich. Der Kühlmittelkühler kühlt das Kühlmittel nahezu auf Umgebungstemperatur (T1) ab. Der Volumenstrom im Kühler ist bei diesem Betriebszustand gleich Null oder sehr gering. In dem zweiten Betriebszustand läuft der Motor unter Last, daher wird ihm mehr Wärme entzogen, d. h. der Thermostat öffnet. Der Volumenstrom steigt an, und es läuft Kühlmittel mit einer gegenüber T1 erhöhten Temperatur T2 in den Kühler.
  • Im Diagramm ist T1 die niedrige Kühlmitteleintrittstemperatur, während T2 die erhöhte Kühlmitteleintrittstemperatur repräsentiert, welche - wie oben erwähnt - bei einer Erhöhung der Motorlast auftreten kann. Der Linienzug, welcher die zeitliche Abhängigkeit der Temperatur TE von der Zeit t darstellt, zeigt die Verzögerung, mit welcher sich eine Temperaturerhöhung von T1 auf T2 am Kühlereintritt bis zum Umlenkkasten fortpflanzt. Während die Kühlmitteleintrittstemperatur in einer Zeitspanne (t2 - t1) auf T2 anwächst, vergeht eine Zeitspanne (t4 - t2), bis die Temperatur T2 auch am Umlenkkasten, d. h. am Eintritt zum zweiten Durchgang angekommen ist.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlers nach dem Stand der Technik, also gemäß Fig. 1, welche zu einem Zeitpunkt t = t3 (vgl. Fig. 3) im ersten (oberen) Durchgang die Temperaturfronten mit einer Temperatur von T1 und einer erhöhten Temperatur von T2 zeigt. Der obere Block 2a des Kühlers weist bei einem Temperatursprung insbesondere am Eintritt im Wesentlichen den schraffiert dargestellten Bereich A auf, in dem das Kühlmittel in den Rohren die Eintrittstemperatur T2 erreicht hat. In einem Übergangsbereich mit T2 > T > T1 werden kaltes Kühlmittel und heißes Kühlmittel miteinander vermischt. In einem Bereich T=T1 befindet sich kaltes Kühlmittel mit der Temperatur T=T1. Man erkennt daraus deutlich, dass die Temperaturdifferenz (T2 - T1) in vollem Umfang wirksam ist, d. h. die Rohre des oberen Durchganges haben größtenteils bereits eine erhöhte Temperatur T2, während die Rohre des unteren Durchganges noch eine niedrigere Temperatur von T1 aufweisen. Daraus resultieren die erwähnten thermischen Spannungen.
  • Fig. 5 zeigt die Ausbreitung der Temperaturfronten zu einem Zeitpunkt t = t3 (vgl. Fig. 3) bei einem erfindungsgemäßen Kühler mit Bypassleitung 6 und Eintrittspunkt 7 der Bypassströmung im Umlenkkasten 4, entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Der Eintrittspunkt 7 ist vorteilhafterweise im Bereich von ± 15 % der Kühlerbreite relativ zur Position der Trennwand (Linie m) angeordnet. Durch die Bypassströmung und ihren Eintritt im Bereich der Linie m wird Kühlmittel mit der erhöhten Temperatur T2 direkt zum Eintritt des zweiten Durchganges 2b geführt. Dadurch bildet sich eine Temperaturverteilung bzw. eine Temperaturfront aus, welche durch einen schraffierten Bereich 8 modellhaft (idealisiert ) dargestellt ist. Der Bereich mit erhöhter Kühlmitteleintrittstemperatur T2 im ersten Durchgang ist ebenfalls schraffiert und mit der Bezugszahl 9 versehen. Die schraffierten Bereiche 8, 9 bilden Flächen Au und Ao, welche den Kühlmittelvolumina mit der Temperatur T2 entsprechen. In Fig. 4 ist die entsprechende schraffierte Fläche der Temperatur T2 mit A bezeichnet. Im Vergleich der Figuren 4, 5 gilt die Beziehung: A = Ao + Au. Das Diagramm zeigt, dass die Temperaturfronten des Bereiches 9 (Ao) im ersten Durchgang und des Bereiches 8 (Au) im zweiten Durchgang gegeneinander, d. h. aufeinander zu laufen. Dadurch werden die erhöhten Temperaturunterschiede, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, reduziert und demzufolge auch die daraus resultierenden Spannungen herabgesetzt.
  • Aufgrund des Strömungswiderstandes und des Querschnittes der Bypassleitung kann der zeitliche Versatz zwischen dem Temperaturanstieg im Kasten 3a und dem Kasten 4 an der Stelle 7 variiert und angepasst werden.
  • Figur 6 und Figur 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Einleitungsrohrs 21. Das Einleitungsrohr 21 ist an den Bypasskanal 6 mittels eines Rohrflansches 20 angeschlossen und dient zur Einleitung des Kühlmittels aus dem Bypasskanal 6 in den Umlenkkasten 4. Das Einleitungsrohr 21 ragt dabei zumindest abschnittsweise in den Umlenklasten 4 hinein. Ferner ist das Einleitungsrohr 21 zumindest abgekröpft und/oder weist zumindest eine Öffnung 22 zur Einleitung des Kühlmittels aus dem Bypasskanal 6 auf.

Claims (12)

  1. Wärmeübertrager mit einem parallel zueinander angeordnete Strömungskanäle aufweisenden Block (2), welcher von einem zu kühlenden Medium in mindestens zwei Durchgängen (2a, 2b) in entgegengesetzten Richtungen durchströmbar ist, wobei dem ersten Durchgang (2a) ein von dem zu kühlenden Medium durchströmbarer Bypasskanal (6) zur Zufuhr des Mediums zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (6) in den Wärmeübertrager (5), insbesondere teilweise oder vollständig, integriert ist und der Wärmeübertrager mindestens ein parallel zu den Strömungskanälen angeordnetes Seitenteil aufweist, welches als Strömungskanal ausgebildet und als Bypass (6) durchströmbar ist.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Block (2) ein erster Sammelkasten (3) zugeordnet ist, welcher eine Eintrittskammer (3b) für den ersten Durchgang (2a) und eine Austrittskammer (3c) für den zweiten Durchgang (2b) aufweist.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Block (2) ein zweiter Sammelkasten (4) als Umlenkkasten für den ersten und den zweiten Durchgang (2a, 2b) zugeordnet sind.
  4. Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (6) vor Eintritt in den Block (2a) abzweigbar ist.
  5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (6) aus der Eintrittskammer (3b) abzweigbar ist.
  6. Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (6) in den Umlenkkasten (4) mündet.
  7. Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittkammer (3b) und die Austrittskammer (3c) durch eine Trennwand (3a) voneinander abgeteilt sind.
  8. Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle Durchtrittsquerschnitte aufweisen, die sich für den ersten und den zweiten Durchgang wie 1 : 1 verhalten.
  9. Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (6) in eine Eintrittsöffnung (7, 22) des Umlenkkastens (4) mündet.
  10. Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (7, 22) im Bereich (b) einer die Position der Trennwand (3a) markierenden Linie (m) angeordnet ist und dass der Bereich (b) jeweils um etwa 15 % der Breite des Blockes (2) nach beiden Seiten von der Linie (m) abweicht.
  11. Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (6) einen Durchmesser von vorzugsweise 7 bis 16 mm aufweist.
  12. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (6) mittels eines Einleitungsrohres (21) zumindest abschnittsweise in den Umlenkkasten (4) hineinragt.
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